WO2007105478A1 - Layered type semiconductor device having integrated sensor - Google Patents

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WO2007105478A1
WO2007105478A1 PCT/JP2007/053557 JP2007053557W WO2007105478A1 WO 2007105478 A1 WO2007105478 A1 WO 2007105478A1 JP 2007053557 W JP2007053557 W JP 2007053557W WO 2007105478 A1 WO2007105478 A1 WO 2007105478A1
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Mitsumasa Koyanagi
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Mitsumasa Koyanagi
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Definitions

  • the present invention relates to a stacked semiconductor device equipped with an integrated sensor, and more specifically, a sensor circuit including a photoelectric conversion element, a transfer (transfer) gate, a reset transistor, and an amplification transistor, and using the sensor circuit
  • the present invention relates to an addressable image sensor that enables simultaneous shuttering (global 'shutter, simultaneous exposure) for all pixels with a simple configuration.
  • CMOS image sensors XY addressing type image sensors
  • CMOS image sensors XY addressing type image sensors
  • CMOS image sensors XY addressing type image sensors
  • SLR digital 'still' cameras and mobile phones This is a system that can be manufactured with a standard CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) process, which requires only one power supply and has low power consumption compared to a CCD image sensor. This is probably because the advantages of CMOS image sensors such as on-chip are easy to realize.
  • CMOS addressing type image sensor
  • the first problem is that simultaneous accumulation of signal charges for all pixels (in other words, simultaneous or global shirt tie) is not possible.
  • the signal charge accumulation period (which is equal to the exposure period) is the same for all pixels.
  • signal charge accumulation is started for each row of the pixel matrix or for each pixel, and the signal charge accumulated in each pixel is time-sequentially in order of each pixel force by addressing. Since it is read out, there is a temporal shift (timing shift) in the signal charge accumulation period of each pixel. Therefore, signal charge cannot be accumulated simultaneously as in a CCD image sensor. The reason is explained with reference to Fig. 33 and Fig. 30.
  • FIG. 33 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a CCD image sensor.
  • FIG. 30 (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the CCD image sensor.
  • FIG. 30 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CMOS image sensor
  • FIG. 30 (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the CMOS image sensor.
  • each of a plurality of pixels arranged in a matrix includes a photodiode as a photoelectric conversion element, and each of these photodiodes is irradiated.
  • An amount of signal charge corresponding to the intensity of the emitted light is accumulated.
  • the signal charges accumulated in each pixel are simultaneously read out to vertical CCDs arranged along each column of the pixel matrix via a transfer gate (not shown) provided for each pixel. This readout to the vertical CCD is usually performed simultaneously at the end of the vertical blanking period.
  • the signal charge read out to each vertical CCD is sequentially transferred to a common horizontal CCD arranged along the row of the pixel matrix by the vertical transfer action of the vertical CCD.
  • the signal charges transferred to the horizontal CCD in this way are further transferred horizontally by the horizontal CCD toward the output end, and amplified by a FD (floating diffusion) amplifier provided at the output end for signal output. It becomes.
  • FD floating diffusion
  • the signal charge accumulation period of the CCD image sensor is, as can be easily understood from FIG. 33 (b), the pixel corresponding to each of the N scanning lines (1 to N) constituting one frame. ! /, The accumulation period is the same, in other words, the accumulation period is set at the same timing. It will be clear that this is the case when considering the operation that the signal charge accumulated in each pixel is read out to the vertical CCD all at once.
  • the conventional CMOS image sensor as shown in FIG. 30 (a), each of a plurality of pixels arranged in a matrix has a photodiode as a photoelectric conversion element, and the photodiode. And an amplifier for amplifying the signal charge accumulated by the.
  • Each pixel in the pixel matrix is selected by sequentially selecting row selection lines in the vertical scanning circuit and sequentially selecting column signal lines in the horizontal scanning circuit (that is, designating XY addresses in order). .
  • this is shown by the switch provided in each pixel and the switch provided in each column signal line.
  • CDS Correlated Double
  • the Sampling (correlated double sampling) circuit is a circuit for removing signal charge power noise flowing through each column signal line. The signal charges selectively output from each pixel are sequentially sent to a common horizontal signal line, and become a signal output through an output circuit connected to one end of the horizontal signal line.
  • the pixel corresponding to each of the N scanning lines (1 to N) constituting one frame is arranged. ! / It can be seen that the current accumulation period is shifted in time in accordance with the scanning timing of each scanning line. This is because a CMOS image sensor does not have a vertical register (vertical CCD) like a CCD image sensor, so changing the timing of resetting the signal charge of each pixel changes the signal charge to the corresponding column signal. This is because the timing of sending to the line is shifted.
  • FIG. 31 is a circuit diagram showing a schematic circuit configuration of a conventional CMOS image sensor
  • FIG. 32 is a cross-sectional view of an essential part showing the schematic device structure.
  • the circuit configuration shown in FIG. 31 is that of a CMOS image sensor having a 4-transistor type pixel.
  • CMOS image sensor having a 4-transistor type pixel.
  • transistors transfer gate, reset transistor, Amplifying transistor, four MOS transistors for selection gate. These transistors are formed and arranged on a p-type silicon (Si) substrate as shown in the device structure of FIG. V is the power supply voltage and V is the reset voltage.
  • the reset transistor applies a voltage pulse ⁇ through the reset line in the i-th row
  • the signal charge accumulated in the photodiode is reset at a predetermined timing (applying a predetermined reset voltage V to the photodiode) via the transfer gate in the conductive state.
  • the star has a source follower configuration and amplifies the signal charge sent to the node.
  • the selection gate is connected to a voltage pulse ⁇ through a row selection line (not shown) of the i-th row.
  • a circuit configuration of a pixel of a CMOS image sensor includes a three-transistor type.
  • one pixel includes three transistors (a reset transistor, an amplifying transistor, and a MOS transistor for a select gate) in addition to a photodiode.
  • the four-transistor type configuration gate and the transfer gate are omitted.
  • the circuit configuration of FIG. 31 is specifically realized as the structure shown in FIG. In other words, a plurality of element regions defined by element isolation insulating films on the surface region of a P-type silicon (Si) substrate. Within the region, there are formed four MOS transistors constituting a photodiode, a transfer gate, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection gate.
  • CMOS image sensor device structure As is clear from the cross-sectional view of the main part of FIG. 32, four or three MOS transistors have a pixel area of either the four-transistor type or the three-transistor type. Therefore, the ratio of the area occupied by the photodiode (the opening) in the pixel area, that is, the “aperture ratio” is considerably small.
  • the aperture ratio of conventional CMOS image sensors is usually as low as about 30%. For this reason, there is a problem that the sensitivity is lowered, and in order to eliminate the sensitivity reduction, it is necessary to increase the pixel area (pixel size).
  • CMOS image sensor that realizes simultaneous shirting of all pixels mentioned as the first problem is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-266597).
  • the CMOS image sensor includes, in a pixel, a light receiving element, a first transfer unit that transfers signal charges generated by the light receiving element to the next stage, a storage unit that temporarily stores an output of the first transfer unit, An initialization means for initializing the charge of the light receiving element and the storage section, a second transfer means connected to the storage section, and a charge detection section for reading the charge from the second transfer means as a voltage to the outside
  • the stored charge is read by operating the first transfer means all at once for the pixels, and the signal charge is initialized by operating the initialization means for all the pixels all at once.
  • This image sensor chip has a four-layer structure in which a processor array and an output circuit are arranged in the first semiconductor circuit layer, and a data latch and a masking circuit are arranged in the second semiconductor circuit layer. An amplifier and an analog / digital converter are arranged in the third semiconductor circuit layer, and an image sensor array is arranged in the fourth semiconductor circuit layer. The uppermost surface of the image sensor array is covered with a quartz glass layer including the microlens array, and the microlens array is formed on the surface of the quartz glass layer. Image sensor A photodiode is formed as a semiconductor light receiving element in each image sensor in the array.
  • the semiconductor circuit layers that constitute the four-layer structure are mechanically connected using an adhesive, and embedded wiring using conductive plugs and the micro-contacts that are in contact with the embedded wiring. It is electrically connected using bump electrodes.
  • Both the conventional image sensor chip and the image processing chip disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 each include a plurality of semiconductor wafers (hereinafter also simply referred to as wafers) incorporating desired semiconductor circuits. After being stacked and fixed to each other, the obtained wafer stack is cut (diced) and divided into a plurality of chip groups. That is, a semiconductor wafer having a semiconductor circuit formed therein is laminated at the wafer level to form a three-dimensional laminated structure, which is divided to obtain an image sensor chip or an image processing chip. It is.
  • Non-Patent Document 1 Kurino et al., “Intelligent 'Image Sensor' Chip with Three-dimensional Structure”, 1999 I'D. 1 D. 1-Tech. 'Digest' p. 36. 4.1 1-3 4 4 (H. Kunno et al., Intelligent Image Sensor Cnip with Three Dimensional Structure, 1999 IEDM Technical Digest, pp. 36.4.1-36.4.4, 1999)
  • Non-Patent Document 2 Lee et al., “Development of three-dimensional integration technology for highly parallel image processing chips”, “Japan Journal of the Japan Society of Applied Physics, Vol. 39, p. 2473-2477, Part 1 4B, April 2000, (K. Lee et al "Development of fhree—Dimensional Integration Technology ror Highly Paralle 1 Image-Processing Chip", (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39, pp. 2474-2477, April 2000)
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266597 (FIG. 1—FIG. 2, FIG. 8, FIG. 12, FIG. 15) Disclosure of Invention
  • the conventional general CMOS (addressing type) image sensor cannot simultaneously store signal charges for all the pixels (in other words, simultaneous shirting), and has a low pixel aperture ratio. There are two problems.
  • CMOS image sensor In the conventional CMOS image sensor disclosed in Patent Document 1, all pixels can be simultaneously shirted. However, in each pixel, in addition to the light receiving element, a first transfer means for transferring the signal charge generated in the light receiving element to the next stage, a storage unit for temporarily storing the output of the first transfer means, Since it is necessary to provide an initialization means for initializing the charge of the light receiving element and the storage section and a second transfer means connected to the storage section, the storage section is provided in the 3-transistor type CMOS image sensor. This is an added configuration. Therefore, this CMOS image sensor still has the problem that the pixel aperture ratio is low.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 only disclose that a three-dimensional stacked structure can be realized by stacking and fixing semiconductor wafers or semiconductor chips.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the present invention has been made in consideration of these points, and the object of the present invention is to allow substantially simultaneous accumulation of signal charges (substantially simultaneous shirting) for all pixels. Another object of the present invention is to provide a sensor circuit and an addressable image sensor that can realize a higher pixel aperture ratio than a conventional addressable image sensor.
  • a sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing.
  • a plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in parallel to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the pixel blocks.
  • An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. It is characterized by being.
  • a sensor circuit includes a plurality of pixels configured by connecting a plurality of pixels in parallel to a common node every predetermined number (for example, n, n is an integer of 2 or more).
  • each of the pixels is provided in a path between the photoelectric conversion element that generates a signal charge in response to irradiated light and the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block.
  • First gate element formed. Since the reset transistor and the amplification transistor are connected to the common node of each pixel block, the reset transistor and the amplification transistor can be shared by each pixel block. This means that a reset transistor and an amplification transistor are provided inside the pixel.
  • the signal charge generation / accumulation ability is operated up to the signal output as follows.
  • the signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixels in the pixel block is handled by sequentially turning on the first gate element in time series. To the common node to read in time series. This operation is performed in parallel in a plurality of the blocks. At this time, it is necessary to reset the common node using the reset transistor until the signal is read from one of the pixels in the pixel block and the signal is read from the other one of the pixels. The This is because if the common node is not reset, the influence of the signal read out first remains and the subsequent signal may fluctuate.
  • the signals read out in each of the pixel blocks are amplified in order or in parallel by the corresponding amplification transistors, and are output from the output terminals.
  • the signals sent in order from the plurality of pixels in the pixel block are amplified by the amplification transistor and then time-series from the output terminal. Are output in order.
  • the total number of output terminals of the amplification transistor is equal to the total number of the pixels in the pixel block, the signals are output in parallel from the plurality of output terminals of the amplification transistor.
  • the reset transistor and the amplification transistor are provided outside the block for each of the pixel blocks. It only needs to include one photoelectric conversion element and one first gate element (usually a MOS transistor). Therefore, if this sensor circuit is used, a higher pixel aperture ratio can be achieved compared to a conventional address-designated image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to the photoelectric conversion element in the pixel. it can.
  • the amplification transistor has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the wiring of the next stage connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
  • a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output transistor for controlling the output of a signal stored in the capacitive element are further provided.
  • the output transistor there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • the amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor.
  • a second gate element is connected to each of the output terminals.
  • a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in the capacitive elements It is preferable to further provide.
  • the signals stored in the plurality of capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • all of the reset transistors are used before the signal charges are generated and accumulated all at once in the pixels. All of the pixels are collectively reset, and in each of the pixel blocks, signals corresponding to the signal charges accumulated in the pixels are read out in time series via the corresponding common nodes. It is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an advantage that substantial simultaneous shirting can be easily realized.
  • a sensor circuit according to a second aspect of the present invention provides:
  • a sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing.
  • each of the pixels includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to irradiated light, and the photoelectric conversion element.
  • a sensor circuit includes a plurality of pixels configured by connecting a plurality of pixels in parallel to a common node every predetermined number (for example, n, n is an integer of 2 or more).
  • each of the pixels responds to irradiated light.
  • the photoelectric conversion element that generates signal charges and the first gate element provided in the path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block the photoelectric conversion element and the first And a reset transistor connected to a connection point with the gate element for resetting the pixel.
  • An amplifier transistor is connected to each common node of the pixel block. Therefore, each of the pixel blocks can share the amplification transistor. This means that an amplification transistor is provided inside the pixel.
  • the configuration relating to the reset transistor is different from the sensor circuit according to the first aspect of the present invention. That is, in the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, the reset transistor power is provided for each of the pixel blocks (that is, the reset transistor is provided outside each pixel block). In contrast, in the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, the reset transistor power is provided for each of the plurality of pixels belonging to each of the pixel blocks (that is, the reset transistor is provided). Provided for each of the pixels). For this reason, the operation up to the signal charge generation / accumulation signal output is performed as follows.
  • the first gate element is put in a cut-off state, and then all of the pixels (photoelectric conversion elements) are irradiated with light, and the pixels are collectively collected. To generate and store signal charges.
  • the signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixels in the pixel block is handled by sequentially turning on the first gate element in time series. To the common node to read in time series. This operation is performed in parallel in a plurality of the blocks. At this time, in the pixel block Before the signal is read from one of the pixels and the signal is read from the other one of the pixels, the first gate element is temporarily turned on, and the common node is turned on using the reset transistor. Need to reset. This is because if the common node is not reset, the influence of the signal read out may remain and the subsequent signal may fluctuate.
  • the signal thus read out in each of the pixel blocks is amplified in order or in parallel by the corresponding amplification transistor, and is output from the output end thereof.
  • the signals sent in order from the plurality of pixels in the pixel block are amplified by the amplification transistor and then time-series from the output terminal. Are output in order.
  • the total number of output terminals of the amplification transistor is equal to the total number of the pixels in the pixel block, the signals are output in parallel from the plurality of output terminals of the amplification transistor. This is the same as the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
  • the reset operation of the common node by the reset transistor is required as many times as necessary. (E.g., (n-1) times) time required to execute (total reset time) and time required to amplify the signal charge of the pixel by the corresponding amplification transistor in each of the pixel blocks (total amplification time )),
  • the pixel includes one photoelectric conversion element. And one first gate element (usually a MOS transistor) and one It only needs to include a set transistor (usually a MOS transistor). Therefore, if this sensor circuit is used, a higher pixel aperture ratio can be realized compared to a conventional addressing type image sensor that includes three or four MOS transistors in a pixel. Can do.
  • the amplification transistor has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the wiring of the next stage connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
  • a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output transistor for controlling the output of the signal stored in the capacitive element.
  • the amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor.
  • a second gate element is connected to each of the output terminals.
  • a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in the capacitive elements It is preferable to further provide.
  • the signals stored in the plurality of capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • the reset transistors are all used to generate and store the signal charges. All of the pixels are collectively reset, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel corresponds to the corresponding It is read out in time series through the common node and sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an advantage that substantial simultaneous shirting can be easily realized.
  • An addressing type image sensor according to a third aspect of the present invention provides:
  • An addressing type image sensor having a three-dimensional stacked structure, which has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
  • a plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in a predetermined number in parallel to a common node
  • a reset transistor connected to the common node of each of the pixel blocks for resetting a plurality of the pixels in the pixel block;
  • An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block.
  • At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. It is characterized by being formed in the second or third or subsequent semiconductor circuit layer.
  • An addressing type image sensor uses the sensor circuit according to the first aspect of the present invention described above, and includes at least a plurality of the photoelectric conversion elements in the three-dimensional stacked structure.
  • the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor are formed in the first semiconductor circuit layer to be configured, and the second gate circuit, the reset transistor, and the amplification transistor are in the second or subsequent semiconductor circuit layers that constitute the three-dimensional stacked structure. It corresponds to what was formed.
  • signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all the pixels.
  • a pixel aperture ratio higher than that of the addressing type image sensor can be realized.
  • image distortion in conventional addressing type image sensors It is possible to image a subject that moves at a high speed without occurring.
  • the ratio of the total area of the light receiving region to the total area of the imaging region can be increased.
  • the plurality of first gate elements are included in the first semiconductor circuit layer.
  • the plurality of amplification transistors and the plurality of reset transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, but each pixel includes the first gate in addition to the photoelectric conversion elements. Since only one transistor constituting the element is included, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressed image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
  • the plurality of first gate elements and the plurality of reset transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements and a plurality of reset transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements.
  • only one transistor constituting the first gate element is included, and the total number of the reset transistors may be (lZn) of the total number of pixels. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
  • the number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor force is the amplification transistor force.
  • a second gate element is connected to each of the output terminals.
  • An amplification transistor is formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the second gate elements (selection transistors) are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements.
  • the pixel only includes one transistor that constitutes the first gate element in addition to the photoelectric conversion element, and the total number of the reset transistor and the amplification transistor is (lZn) of the total number of pixels. That's it. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with the conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
  • the addressing type image sensor In still another preferable example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of the first image sensors are formed. A gate element, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • each pixel since only the plurality of photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, each pixel does not include any transistor. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. In particular, the improvement in pixel aperture ratio is maximized.
  • each of the amplification transistors has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the next-stage wiring connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
  • a storage capacitor element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output of a signal stored in the capacitor element are provided in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include an output transistor to be controlled. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • each of the amplification transistors is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor.
  • a number of outputs and each of these outputs Second gate elements are connected to each other.
  • signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do.
  • a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, and the capacitance elements It is preferable to further include a plurality of output transistors for controlling the output of the stored signal.
  • a plurality of the output transistors there is an advantage that signals stored in a plurality of the capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • all of the reset transistors are set before generating and accumulating signal charges in all of the pixels. All of the pixels are collectively reset using a signal, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is passed through the corresponding common node. After being read out in time series, it is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an IJ point that a substantial simultaneous shirting can be realized easily.
  • An addressing type image sensor is:
  • An addressing type image sensor having a three-dimensional stacked structure, which has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
  • a plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in a predetermined number in parallel to a common node
  • An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block, and the photoelectric conversion element.
  • the conversion element and the first A reset transistor connected to a connection point with the gate element for resetting the pixel,
  • At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. It is characterized by being formed in the second or subsequent semiconductor circuit layer.
  • An addressing type image sensor uses the sensor circuit according to the second aspect of the present invention described above, and includes at least a plurality of the photoelectric conversion elements described above in the three-dimensional stack.
  • the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor are formed in the first semiconductor circuit layer constituting the structure, and the second and subsequent semiconductor circuit layers constituting the three-dimensional stacked structure are formed. It corresponds to what was formed inside.
  • signal charges can be accumulated substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting) for all the pixels, A pixel aperture ratio higher than that of the addressing type image sensor can be realized.
  • a preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention is the same as that of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention described above. This is because in the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, a reset transistor is provided for each of the blocks (that is, a reset transistor is provided outside each block). On the other hand, in the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, the reset transistor is provided for each of the plurality of photoelectric conversion elements belonging to each of the blocks, and therefore both are different. It is.
  • a plurality of first gate elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors and a plurality of reset transistors are provided in the second semiconductor circuit layer.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, but each pixel includes the first gate in addition to the photoelectric conversion elements. Since only one transistor constituting the element is included, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressed image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
  • the plurality of first gate elements and the plurality of reset transistors are A plurality of amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements and a plurality of reset transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements.
  • each pixel since it only includes two transistors, that is, the transistor constituting the first gate element and the reset transistor, each pixel has a conventional addressing type image sensor including four transistors or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. Compared with pixel aperture ratio
  • the amplification transistor force is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor.
  • a second gate element (selection transistor) is connected to each of the output terminals.
  • a plurality of the first gate elements, a plurality of the reset transistors, and a plurality of the amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of the second gates are arranged on the plurality of the photoelectric conversion elements.
  • An element (selection transistor) is formed in the second or third or subsequent semiconductor circuit layers.
  • the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements.
  • a pixel constitutes the first gate element in addition to the photoelectric conversion element.
  • the reset transistor and the reset transistor There are only two transistors, the reset transistor and the reset transistor, and the total number of the amplification transistors may be (lZn) of the total number of pixels. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four transistors or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
  • the addressing type image sensor In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the first image sensors are formed. A gate element, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
  • each pixel since only the plurality of photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, each pixel does not include any transistor. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. In particular, the improvement in pixel aperture ratio is maximized.
  • each of the amplification transistors has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the next-stage wiring connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
  • a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output of a signal stored in the capacitive element are provided in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include an output transistor to be controlled. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • each of the amplification transistors is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor.
  • the second gate element is connected to each of the output terminals. In this case, by opening and closing each of the second gate elements in synchronization with the corresponding first gate element, signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do. As a result, there is an advantage that the next signal processing can be performed quickly.
  • the amplification transistor is included in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the star, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in these capacitive elements. In this case, by using a plurality of the output transistors, there is an advantage that signals stored in a plurality of the capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
  • all the reset transistors must be connected before generating and accumulating signal charges all over the pixels. All of the pixels are collectively reset using a signal, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is passed through the corresponding common node. After being read out in time series, it is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an IJ point that a substantial simultaneous shirting can be realized easily.
  • the “photoelectric conversion element” was irradiated. It means an element that generates a charge in response to light.
  • a photodiode which is a semiconductor element, can be suitably used.
  • the present invention is not limited to this as long as the element has a function of generating electric charge according to irradiated light. Anything can be used.
  • the “first gate element” means an element having a gate function for opening and closing a path connecting each of the plurality of photoelectric conversion elements and the corresponding common node. Force that MOS transistor can be used suitably The present invention is not limited to this.
  • any transistor can be used as long as it has a function of resetting signal charges generated in the plurality of pixels (the photoelectric conversion elements) belonging to the group.
  • the “reset transistor” is a power that can be suitably used as a MOS transistor. The present invention is not limited to this.
  • the “amplifying transistor” has a function of amplifying signals corresponding to signal charges generated by the plurality of pixels (the photoelectric conversion elements) belonging to the pixel block in time series to generate an output signal. Any transistor can be used as long as it has a transistor. "Increase As the “width transistor”, a MOS transistor can be suitably used. The present invention is not limited to this.
  • First semiconductor circuit layer and “second or third and subsequent semiconductor circuit layers” mean semiconductor circuit layers, in other words, semiconductor circuits formed in layers. Usually, it includes, but is not limited to, “semiconductor substrate” and “elements” and “wirings” formed inside or on the surface of the semiconductor substrate.
  • the material of the “semiconductor substrate” is arbitrary, and may be silicon, a compound semiconductor, or other semiconductors as long as a desired semiconductor element or circuit can be formed.
  • the structure of the “semiconductor substrate” is arbitrary, and may be a simple plate made of a semiconductor or a so-called SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • first semiconductor circuit layer and the “second or third and subsequent semiconductor circuit layers” are defined as necessary (for example, the first semiconductor circuit layer and the second or third and subsequent semiconductor circuit layers alone If the desired stiffness is not obtained, it is fixed to any “support substrate” that is rigid enough to support them.
  • the material of the “support substrate” is arbitrary. That is, it may be a semiconductor, glass, or other material.
  • a semiconductor substrate having a circuit formed therein, that is, a so-called LSI wafer or LSI chip may be used.
  • “Embedded wiring” refers to a wiring or conductor for electrical connection in the stacking direction embedded in “first semiconductor circuit layer” or “second or third or subsequent semiconductor circuit layers”. . “Built-in wiring” is usually filled with (insulating film) and “insulating film” that covers the entire inner wall surface of “trench” or “through hole” formed in the semiconductor substrate, and the space inside the insulating film. ) "Conductive material” and force are also composed. However, it is not necessarily limited to this configuration.
  • the “trench” or “through hole” may have any desired configuration as long as it has a desired depth and accommodates a conductive material to be an embedded wiring.
  • the depth, opening shape, opening size, cross-sectional shape, etc. of the “trench” or “through hole” can be arbitrarily set as required.
  • any method for forming “trench” or “through hole” any method can be used as long as it can be formed by selectively removing the semiconductor substrate from the surface side. For example, an anisotropic etching method using a mask can be suitably used.
  • the “insulating film” covering the inner wall surface of the “trench” or “through hole” electrically connects the semiconductor substrate and the “conductive material” filled in the “trench” or “through hole”. If it can be insulated, Any insulating film can be used. For example, silicon dioxide (SiO 2), silicon nitride (SiN)
  • Etc. can be used suitably.
  • a method of forming the “insulating film” is arbitrary.
  • any material can be used as long as it can be used as a buried wiring (for example, a conductive plug).
  • semiconductors such as polysilicon, metals such as tungsten (W), copper (Cu), and aluminum (A1) can be preferably used.
  • the filling method of the “conductive material” any method can be used as long as the “conductive material” can be filled into the “trench” or “through hole” from one side of the semiconductor substrate.
  • signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all the pixels, and moreover than a conventional addressed image sensor. It is possible to achieve a high pixel aperture ratio, and (b) to image a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional addressing type image sensor.
  • signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all pixels, and moreover than a conventional addressing type image sensor.
  • a signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all pixels, and moreover than a conventional addressing type image sensor.
  • Can achieve high pixel aperture ratios (b) can capture high-speed moving subjects without image distortion in conventional addressing-type image sensors, and (c) receive light with respect to the total area of the imaging area The effect is that the ratio of the total area of the region is high.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor in which a sensor circuit according to a first embodiment of the present invention is used.
  • FIG. 2 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit according to the first embodiment of the present invention, and shows a circuit configuration of two pixel blocks belonging to the j-th column.
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 showing a principal circuit configuration of a sensor circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is the same as FIG. 2 showing the main circuit configuration of the sensor circuit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is the same as FIG. 2 showing the main circuit configuration of the sensor circuit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 showing a principal circuit configuration of a sensor circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 A circuit diagram showing a main circuit configuration of an addressing type image sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part showing an actual structure of an addressing type image sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part showing an actual structure of an addressing type image sensor according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • ⁇ 17 It is a sectional view of the main part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 An actual structure of an addressing type image sensor according to a twelfth embodiment of the present invention is shown.
  • FIG. 19 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor in which a sensor circuit according to a thirteenth embodiment of the present invention is used.
  • ⁇ 23 A sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the fourteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of a main part showing a configuration example of a storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of the principal part showing another configuration example of the storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of the principal part showing still another configuration example of the storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
  • FIG. 28 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of an addressing type image sensor according to a sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view of an essential part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CMOS (addressing type) image sensor, and (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the image sensor. 31] A circuit diagram showing a main circuit configuration of a conventional CMOS (addressing type) image sensor.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view of an essential part showing the actual structure of a conventional CMOS (addressing type) image sensor.
  • FIG. 33 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CCD (charge transfer type) image sensor, and (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the image sensor.
  • CCD charge transfer type
  • FIG. 34 (a) is a conceptual diagram showing an image obtained by imaging a high-speed rotating blade with a CCD (charge transfer type) image sensor. The same blade is imaged with a conventional CMOS (addressing type) image sensor. It is a conceptual diagram which shows the image obtained in this way.
  • CCD charge transfer type
  • CMOS addressing type
  • FIG. 2 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor (hereinafter also referred to as a CM OS image sensor) in which the sensor circuit 1 is used. This sensor circuit 1 corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
  • CM OS image sensor an addressing type image sensor
  • the overall configuration of the image sensor in Fig. 1 is the conventional CMOS (address specification) shown in Fig. 30 (a).
  • Type Almost the same as an image sensor, & 11) arranged in a matrix of rows and 111 columns (n and m are integers greater than or equal to 2) (k X n) 111 pixels 11 (hereinafter these The matrix formed by the pixels 11 is also referred to as a “pixel matrix”).
  • pixel matrix The matrix formed by the pixels 11 is also referred to as a “pixel matrix”.
  • these pixels 11 are divided into (k X m) pixel blocks 12 (blocky), and each pixel 11 does not include a reset transistor and an amplification transistor.
  • C MOS image sensors Different from conventional C MOS image sensors.
  • each pixel block 12 n pixels 11 belonging to the same column are grouped every n and connected in parallel to a common node (not shown in FIG. 1 and corresponding to the common node 13 in FIG. 2) This constitutes a pixel block 12 (see FIG. 2).
  • the pixel blocks 12 are also arranged in a matrix.
  • One pixel block 12 is provided.
  • the reset transistor Tr and the amplifying transistor Tr are respectively n pixels 1 in each pixel block 12.
  • the total number of amplification transistors Tr is also (k X m).
  • each reset line 31 In the vicinity of each pixel block 12, m reset lines 31 are formed, each extending along a corresponding column of the pixel matrix. Since one reset transistor Tr is provided for each pixel block 12, each reset line 31 has k reset transistors.
  • the transistor Tr is connected. Each output terminal of the reset transistor Tr
  • Each reset line 31 corresponds to
  • Each amplification transistor Tr corresponds to
  • the signal amplified by each amplification transistor Tr is the output of the amplification transistor Tr.
  • the signals are sequentially sent to the corresponding column signal lines 37 via the ends.
  • (k X n) read control lines 32 each extending along a corresponding row of the pixel matrix are formed. These read control lines 32 Are provided for each of m pixel blocks 12 belonging to the same row, and each force of n pixels 11 in each pixel block 12 is also used for reading out a signal.
  • n readout control lines 32 provided for m pixel blocks 12 belonging to the same row are collectively shown as a single line.
  • each vertical scanning circuit 34 In the vicinity of the left end of the pixel matrix, one vertical scanning circuit 34 extending along the column of the pixel matrix is provided.
  • the vertical scanning circuit 34 sequentially scans (k X n) read control lines 32 and selects them in time series. At this time, each readout control line 32 is supplied with a signal for selecting the n pixels 11 included in each of the m pixel blocks 12 belonging to the corresponding row in time series (the transfer gate in FIG. 2). Supports control signals ⁇ to ⁇
  • one horizontal signal line 33 and one horizontal scanning circuit 35 extending along the row of the pixel matrix and m CDS circuits 36 for noise removal are provided. It has been.
  • the horizontal scanning circuit 35 selects these CDS circuits 36 in time series by m column selection signals 38.
  • Each of the m CDS circuits 36 includes k amplification transistors Tr belonging to the column.
  • K column signal lines 37 respectively connected to the output terminals are connected in parallel. Therefore, the k output signals of k amplification transistors Tr belonging to the same row correspond to the corresponding CD.
  • FIG. 2 shows a circuit configuration of two pixel blocks 12 belonging to the j-th column (where l ⁇ j ⁇ m) of the pixel matrix.
  • the upper pixel block 12 has the upper force located at the i-th (where l ⁇ i ⁇ k), and the lower pixel block 12 has the upper force located at the (i + 1) -th. Therefore, the upper pixel block 12 is displayed as 12 (i, j) and the lower pixel block 12 is displayed as 12 (i + 1, j) as necessary.
  • the upper pixel block 12 (i, j) belongs to the [n X (i— 1) + 1] row to the (n X i) row of the j-th column. Pixel 11 to be included.
  • the lower pixel block 12 (i + 1, j) includes pixels 11 belonging to the [nX i + 1] row to the [n X (i + 1)] row of the jth column. Since these two pixel blocks 12 (i, j) and 12 (i + 1, j) have the same configuration, in the following description, the upper pixel block 12 (i, j) will be mainly described.
  • each pixel 11 includes one photodiode and one transfer gate. Accordingly, each pixel 11 includes n photodiodes PD to PD and n transfer gates TG to TG.
  • Each of the transfer gates TG to TG is composed of a MOS transistor.
  • the anode of each photodiode PD to PD is connected to one of the source and drain regions of the corresponding one of the transfer gates TG to TG.
  • the other source and drain regions of each of the transfer gates TG to TG are commonly connected to a common node 13 in the pixel block 12 (i, j). That is, n pixels 11 in the pixel block 12 (i, j) are connected in parallel to the common node 13.
  • the common node 13 of the pixel block 12 (i, j) has one source'drain region of the common reset transistor T provided corresponding to the pixel block 12 (i, j) and the pixel block 12
  • One source / drain region of the amplification transistor T is connected to a DC power supply (power supply voltage).
  • the other source / drain region (output side) is connected to the output terminal of the pixel block 12 (i, j) (that is, the corresponding column signal line 37).
  • the output terminal of the amplifying transistor T (source side / drain region on the output side) is connected to a predetermined potential (through
  • the capacitance C connected to the node 14 is a parasitic capacitance generated at the node 14 and is sn
  • Node 14 is connected to a terminal of a predetermined potential (usually ground potential) or sn through parasitic capacitance C.
  • the output terminal of the amplifying transistor T (the source-drain region on the output side) is shown in Fig. 1.
  • the output signal of the amplification transistor T is connected to the corresponding column signal line 37.
  • the serial (time-series) output signals of the n photodiodes PD to PD are sent to the corresponding CDS circuit 36 via the corresponding column signal line 37.
  • the column signal line 37 is selected via the m column selection signals 38 by the scanning of the horizontal scanning circuit 35, whereby the serial output signal is sent.
  • the signal is sent to the horizontal signal line 33.
  • the signal is sent to the output terminal (not shown) of the image sensor provided at one end of the horizontal signal line 33 (the right end in FIG. 1).
  • All the pixel blocks 12 other than the pixel block 12 (i, j) have the same configuration as the pixel block 12 (i, so that n photodiodes are formed in the same manner as described above.
  • the serial output signal from PD to PD is sent to the output terminal of the image sensor, so that the subject can be imaged.
  • pulse signals respectively applied to the gate electrodes of the MOS transistors constituting the transfer gates TG to TG (first gate elements) provided for the photodiodes PD to PD of all the pixels 11.
  • Gate control signal
  • the logic state of the signal (reset control signal) ⁇ is H, and all reset transistors Tr
  • the voltage applied to the photodiodes PD to PD of all the pixels 11 is made approximately equal to the reset voltage V, in other words, the photo diodes of all the pixels 11.
  • the logic state of the transfer gate control signals ⁇ to ⁇ applied to the transfer gates TG to TG of all the pixels 11 is set to Low (L), and all the transfer gates TG to TG are set.
  • Tl Tn 1 is turned off.
  • the logic state of the reset control signal ⁇ is set to L, and n RST
  • the photodiodes PD to PD of all the pixels 11 are irradiated with light, and signal charges are generated and accumulated all at once in all the photodiodes PD to PD.
  • the irradiation time is usually several hundreds / z sec to several msec and is very long.
  • the reset voltage V is temporarily applied to the gate electrode of the transistor Tr, and all the amplification transistors T
  • the gate voltage of r is set to a predetermined reference voltage.
  • a signal proportional to the amount of charge generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD as described above is read out from each pixel 11 in the form of voltage and amplified as follows.
  • n transfer gate control signals ⁇ ⁇ in the pixel block 12 are selected.
  • the logic state of ⁇ is changed from L to H in order, and the transfer gates TG to TG are turned on sequentially.
  • the amplification transistor Tr connected to the node 14 in the form of a source follower has its gate
  • the voltage signal read to the node 14 is immediately amplified by the amplification transistor Tr.
  • the amplified signal is then transferred to the amplified traffic.
  • the source / drain region force on the output terminal side of the transistor Tr is also output toward the column signal line 37.
  • the reset voltage V is temporarily applied to node 14 by turning on the transistor Tr.
  • the node 14 (the gate electrode of the amplification transistor Tr) is set to the reference potential.
  • the total number of amplification operations by r is n, and the total number of reset operations of the amplification transistor Tr
  • the first transfer gate TG of the pixel block 12 is temporarily turned on, and the voltage proportional to the signal charge accumulated in the first photodiode PD is set. Read the signal to node 14. The voltage signal is immediately amplified by the amplifying transistor Tr, and the obtained amplified signal is sent to the column signal line 37.
  • the reset transistor Tr is temporarily turned on, and the amplification transistor Tr
  • the signal is immediately amplified by the amplifying transistor Tr, and the obtained amplified signal is the column signal line 37.
  • the reset transistor Tr is temporarily turned on and increased.
  • n signals from which all the photodiodes PD to PD in the pixel block 12 can also be obtained are connected to the source terminal n AMP on the output terminal side of the amplification transistor Tr.
  • the rain region force is also output in sequence toward the column signal line 37 in time series.
  • the signal output from the pixel block 12 is a signal in which n pulse waveforms that reflect the amount of signal charges (the amount of irradiated light) of the photodiodes PD to PD are connected at a predetermined interval.
  • the image sensor has (k X m) pixel blocks 12 in total, the above-described operation is repeated (k X m) times while all the pixels 11 are scanned. .
  • a signal output from the pixel block 12, that is, one serial signal in which n signal pulses are connected at a predetermined interval, is a known sample and hold circuit, The signal is sent to an analog-to-digital (AZD) conversion circuit and subjected to predetermined signal processing.
  • a signal output from the pixel block 12 that is, one serial signal in which n signal pulses are connected at a predetermined interval, is a known sample and hold circuit, The signal is sent to an analog-to-digital (AZD) conversion circuit and subjected to predetermined signal processing.
  • a signal output from the pixel block 12 that is, one serial signal in which n signal pulses are connected at a predetermined interval, is a known sample and hold circuit, The signal is sent to an analog-to-digital (AZD) conversion circuit and subjected to predetermined signal processing.
  • a signal output from the pixel block 12 that is, one serial signal in which n signal pulses are connected at a predetermined interval
  • n value total number of pixels 11 in each pixel block 12
  • shortest signal charge accumulation period 125 sec
  • each force of all pixel blocks 12 outputs (k X m) output serial signals independently, so that these output serial signals are processed by analog-digital (AZD) conversion and the like. Can be done in parallel. Therefore, data processing can be performed at a higher speed than that in the conventional CMOS image sensor. This also contributes to the realization of practical simultaneous shirting. Is.
  • each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
  • Each pixel 11 in the lock 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, in addition to the photodiode in one pixel, there are three! Compared with a conventional CMOS image sensor including four MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized.
  • the sensor circuit 1 of the first embodiment is In image sensors, the processing speed of each serial output signal of the amplifying transistor Tr is increased by increasing the parallelism by setting the n value to be smaller than the number of scanning lines.
  • n output signal powers of n photodiodes PD to PD force are output from each of the amplification transistors Tr in a serially connected form, so that the amplification transistor Tr
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1A according to the second embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using this sensor circuit 1A is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted.
  • This sensor circuit 1A corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
  • the circuit configuration of the sensor circuit 1A shown in FIG. 3 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1 according to the first embodiment (see FIG. 2), and the amplification provided for each pixel block 12 A storage capacitor C and an output transistor Tr are added to the output side of the transistor Tr.
  • the storage capacitor element C temporarily receives the signal amplified by the corresponding amplification transistor Tr.
  • One terminal is the output side of the amplifying transistor Tr
  • the other terminal is connected to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential).
  • the signal is sent to the corresponding column signal line 37, and the output side source / drain region is connected to the output terminal (column signal line 37) of the pixel block 12.
  • the output transistor Tr sets the logic state of the output control signal ⁇ applied to its gate electrode to H.
  • the output transistor Tr opens the transfer gates TG to TG in the pixel block 12.
  • the serial output signals of the n photodiodes PD to PD force in the corresponding pixel block 12 are amplified by the amplification transistor Tr. Immediately after that, it is output toward the column signal line 37. to this
  • the serial output signals from the n photodiodes PD to PD in the pixel block 12 are the amplification transistors Tr.
  • the signal ⁇ is used to read signals from the photodiodes PD to PD.
  • the opening and closing of the transfer gates TG to TG are shifted in timing and output toward the column signal line 37. You can make it stronger.
  • the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots).
  • it is possible to make a substantially simultaneous shutter in this way it is possible to image a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
  • Each pixel 11 in the gate 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel opening ratio can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • the transfer gates TG to T in the pixel block 12 are controlled by the output control signal ⁇ .
  • the signal can be output to the column signal line 37 at a different timing from the opening and closing of G, there is also an effect that imaging can be performed at a higher speed than when the sensor circuit 1 of the first embodiment is used.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1B according to the third embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using this sensor circuit 1B is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted.
  • This sensor circuit 1B corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
  • the circuit configuration of the sensor circuit 1B shown in FIG. 4 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1 (see FIG. 2) according to the first embodiment, and the amplification provided for each pixel block 12 N select transistors Tr to Tr in the source and drain regions on the output side of the transistor Tr
  • the logic states of the output selection signals ⁇ to ⁇ applied to the gate electrodes are set to H, respectively.
  • n selection transistors Tr to Tr correspond to corresponding pixels.
  • the column signal line 37 is passed through the selection transistor Tr.
  • the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots).
  • it is possible to make a substantially simultaneous shutter in this way it is possible to image a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
  • Each pixel 11 of the lock 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel aperture ratio can be realized compared to a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • n output signal forces of n photodiodes PD to PD forces that have been amplified are directed to the column signal line 37 in parallel via the corresponding n select transistors Tr to Tr.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1C according to the fourth embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using the sensor circuit 1C is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted.
  • This sensor circuit 1C is the first of the present invention. It corresponds to the sensor circuit from the viewpoint of 1.
  • the circuit configuration of the sensor circuit 1C shown in FIG. 5 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1B according to the third embodiment (see FIG. 4), and the amplification provided for each pixel block 12 N selection transistors Tr to Tr (second gate element) on the output side of the transistor Tr
  • AMP SEL1 SELn are connected in parallel, and n transistors are connected to the output side of the selection transistors Tr to Tr.
  • the storage capacitor elements C to C include n photodiodes amplified by the amplification transistor Tr.
  • the other terminal is connected to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential).
  • the stored signal is sent in parallel to the corresponding column signal line 37, and the source and drain regions on the output side are connected to the output terminal (column signal line 37) of the pixel block 12. Has been.
  • the output transistors Tr to Tr are marked on their gate electrodes.
  • the conduction state is established by setting the logic state of the applied output control signal ⁇ to ⁇ ⁇ to ⁇
  • the output transistors Tr to Tr are different from the open / close states of the transfer gates TG to TG in the pixel block 12.
  • n output signals from the n photodiodes PD to PD in the corresponding pixel block 12 are amplified by the transistor Tr. Immediately after being amplified, the signals are output in parallel toward the column signal line 37.
  • the output signals from the n photodiodes PD to PD in the pixel block 12 are amplified transistors Tr.
  • the transfer gates for reading the signals can be output in parallel toward the column signal line 37 at different timings from the opening and closing of the transfer gates TG to TG.
  • the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots).
  • simultaneous shirt tying is possible in this manner, it is possible to image a subject that moves at a high speed that causes image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
  • Each pixel 11 in the gate 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel opening ratio can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • transfer gates in the pixel block 12 are controlled by the output control signals ⁇ to ⁇ .
  • the signal can be output to the column signal line 37 at a different timing from the opening / closing of TG to TG, it is possible to take an image at a higher speed than when the sensor circuit 1B of the third embodiment is used. is there.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2 according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2. It is.
  • This image sensor 2 uses the sensor circuit 1B of the third embodiment described above (see FIG. 4).
  • the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured.
  • This image sensor 2 corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • the image sensor 2 includes an upper semiconductor circuit layer 21 and a lower semiconductor circuit layer 22, embedded wiring 23, fine bump electrodes (for example, indium (In) and gold ( Au) laminate, or tungsten (W), etc.) 90 and an electrically insulating adhesive (eg, polyimide) 91, and mechanically and electrically connected.
  • fine bump electrodes for example, indium (In) and gold ( Au) laminate, or tungsten (W), etc.
  • an electrically insulating adhesive eg, polyimide
  • the upper semiconductor circuit layer 21 includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD) and (k X n) X m transfer gates. (That is, (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG).
  • (k ⁇ m) embedded wirings 23 are further formed.
  • the lower semiconductor circuit layer 22 includes (k X m) reset transistors Tr and (k X m)
  • a selection transistor group Tr-Tr) is formed!
  • the element isolation insulating film 41 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal silicon (Si) substrate 40, so that the layout of FIG. 1 is obtained.
  • element regions for (k X n) X m pixels 11 are formed in a matrix. Yes. Each of these element regions corresponds to one pixel 11. Since all the pixel blocks 12 have the same configuration, only one pixel block 12 (i, j) will be described here.
  • n photodiodes PD to PD and n transfer gates TG to TG are formed.
  • the photodiode PD is composed of an n + type region 42 formed on the p-type substrate 40 (that is, the photodiode PD is a p-n junction photodiode).
  • the transfer gate TG is formed of a MOS transistor including a gate electrode 44 and an n + type region 43 facing the n + type region 42 with the gate electrode 44 interposed therebetween.
  • the transfer gate TG shares the n + type region 42 of the photodiode PD, one source / drain region force of the transfer gate TG is electrically connected to the anode of the photodiode PD.
  • the gate insulating film existing between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is omitted in FIG. (Since the existence of the gate insulating film between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is self-explanatory, the description of the gate insulating film is omitted in the following description as well.)
  • the gate electrode 44 is formed on the surface of the substrate 40.
  • the wiring structure 47 is electrically connected to the corresponding read control line 32 via the wiring.
  • the wiring structure 47 includes a wiring conductor formed on the surface of the substrate 40 and an insulator including the conductor, and does not include a gate insulating film and a gate electrode existing on the surface of the substrate 40. (This also applies to the following embodiments.) Other photodiodes PD to PD and transfer gates TG to TG
  • n n + -type regions 43 of the transfer gates TG to TG are electrically connected to the wiring film 46.
  • the conductive contact plug 45 is formed inside the wiring structure 47. Since the n transfer gates TG to TG in the pixel block 12 (i, j) are electrically connected to the wiring film 46 by the contact plugs 45, the transfer gates TG to TG are common nodes. 13 is connected in parallel.
  • the element isolation insulating film 41 and the substrate 40 are arranged in the up and down direction so as to overlap with the element isolation insulating film 41 adjacent to the n + type regions (source and drain regions) 43 of the transfer gates TG to TG.
  • (K X m) through-holes are formed (in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 40). ing.
  • the entire inner wall of the portion of the through hole that contacts the Si portion of the substrate 40 is covered with an insulating film 24.
  • the inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material such as polysilicon, and the conductive material forms the embedded wiring 23.
  • the upper end of the embedded wiring 23 also exposes the surface force of the substrate 40 (element isolation insulating film 41), and is connected to the lower end of the conductive contact plug 23a formed inside the wiring structure 47.
  • the upper end of the conductive contact plug 23 a is connected to a wiring film 46 formed inside the wiring structure 47. Therefore, the embedded wiring 23 is electrically connected to the corresponding wiring film 46 through the conductive contact plug 23a.
  • the n + type regions (source and drain regions) 43 of the n transfer gates TG to TG of the pixel block 12 (i, j) are correspondingly embedded as in the circuit configuration shown in FIG.
  • the wiring 23 is electrically connected in common.
  • the back surface force of the substrate 40 is also exposed, and mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 across the lower end!
  • an element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, whereby a predetermined number of elements for the reset transistor T r are formed. Region, element region for a predetermined number of amplification transistors Tr, and a predetermined number of elements.
  • Element regions for the select transistors Tr to Tr are formed.
  • the reset transistor Tr includes a gate electrode 63 and the gate electrode 63.
  • n + -type regions (source and drain regions) 62 formed on both sides of the MOS transistor.
  • the gate electrode 63 is electrically connected to the corresponding reset line 31 via the wiring in the wiring structure 74 formed on the surface of the substrate 60.
  • the wiring structure 74 includes a wiring conductor formed on the surface of the substrate 60 and an insulating body that includes the wiring conductor, and does not include a gate insulating film and a gate electrode existing on the surface of the substrate 60 (this).
  • One n + type region 62 (source / drain region) has a corresponding bump through the conductive contact plug 68, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed in the wiring structure 74. Electrically connected to electrode 90.
  • one source 'drain region of the reset transistor Tr corresponds to the corresponding one.
  • the reset voltage V is applied to the other n + type region 62 (source / drain region) via a wiring (not shown).
  • the amplification transistor Tr is formed on both sides of the gate electrode 65 with the gate electrode 65 interposed therebetween.
  • a MOS transistor force including a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 is also formed.
  • the gate electrode 65 is electrically connected to the corresponding bump electrode 90 through the conductive contact plug 71, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed inside the wiring structure 74. Yes.
  • n + type region 64 is electrically connected to the wiring film 73 formed in the wiring structure 74 through the conductive contact plug 69 formed in the wiring structure 74. It is connected to the.
  • the power supply voltage V is applied to the other n + type region 64 (source / drain region) via a wiring (not shown).
  • Each of the n selection transistors Tr 1 to Tr 4 includes a gate electrode 67 and a gate electrode 6
  • a MOS transistor force including a pair of n + -type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of 7 is also formed.
  • One n + type region (source / drain region) 66 is connected to one of the corresponding amplifying transistors Tr via the conductive contact plug 70, the wiring film 73, and the conductive contact plug 69 formed in the wiring structure 74.
  • Drain region 64 is electrically connected!
  • the other n + type region (source / drain region) 66 is connected to the corresponding output terminal of the image sensor 2.
  • the gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74. The corresponding output selection is applied to the gate electrode 67 of the selection transistors Tr to Tr.
  • Predetermined output selection signals ⁇ to ⁇ are applied via selection lines 39, respectively.
  • n + regions (source and drain regions) 66 are formed in parallel at a predetermined distance, and the central n + region 66 is shared by the two selection transistors Tr and Tr. is doing. And shared
  • SELl SEL2 N-type region 66 is electrically connected to one n-type region 64 of the corresponding amplification transistor Tr.
  • Each non-shared n + region 66 is connected to the corresponding output terminal.
  • the image sensor 2 according to the fifth embodiment shown in FIGS. 6 and 8 is an application of the sensor circuit 1B of the third embodiment shown in FIG. (k X m) pixel blocks 12 (each block 12 includes n pixels 11) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21, and ( (k X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m) selected transistor groups Tr
  • ⁇ Tr is formed in the lower semiconductor layer 22 and further, the embedded wiring 23 and the bump electrode 90
  • the pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21 is electrically connected to the corresponding reset transistor Tr and amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22 via
  • the upper main surface of the lower semiconductor circuit layer 22 (the surface of the wiring structure 74) is formed below the upper main surface of the upper semiconductor circuit layer 21 (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. Since both are electrically and mechanically connected to each other, the circuit layers 21 and 22 form a two-stage semiconductor laminated structure (three-dimensional structure).
  • the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirt tie). It is possible to image a subject that moves at a high speed that causes image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel 11 of the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Compared to a conventional CMOS image sensor including three or four MOS transistors, it can achieve a high pixel aperture ratio (eg, about 60%) and can reduce the size of the pixel 11 itself. It becomes possible.
  • MOS transistor gate element
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2A according to the sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2A.
  • FIG. This image sensor 2A uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment described above (see FIG. 5).
  • the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured.
  • This image sensor 2A corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • FIG. 7 corresponds to the sensor circuit 1C of the fourth embodiment shown in FIG. 5 (n selected transistors at the output terminal of each amplification transistor Tr).
  • Transistors Tr to Tr are connected, and the output side of these selection transistors Tr to Tr
  • SEL1 SELn SEL1 SELn is connected to storage capacitors C to C and output transistors Tr to Tr, respectively.
  • the embedded wiring 23 and the parasitic resistance R and the parasitic capacitances C and C generated by the embedded wiring 23 are additionally shown in FIG.
  • One embedded wiring 23 is provided for each pixel block 12 (that is, n pixels 11).
  • the image sensor 2A includes the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor.
  • the circuit layer 22 ' is mechanically and electrically connected using the embedded wiring 23, the fine bump electrode 90, and an electrically insulating adhesive (for example, polyimide) 91. .
  • the upper semiconductor circuit layer 21 has the same configuration as that of the image sensor 2 (see FIG. 8) of the fifth embodiment described above. & 111) 12 pixel blocks & 11) Xm pixels 11 and (k X m) embedded wirings 23 are formed. Since the internal configuration of the upper semiconductor circuit layer 21 is the same as that of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above, the same reference numerals as those in the case of the fifth embodiment are given and detailed description thereof is omitted.
  • the lower semiconductor circuit layer 22 has substantially the same configuration as the lower semiconductor circuit layer 22 of the image sensor 2 (see Fig. 8) of the fifth embodiment described above, but outputs the storage capacitors C to C and outputs.
  • transistors Tr to Tr are additionally formed. Ie, below
  • ⁇ Tr is additionally formed.
  • the element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern in the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, thereby Element regions for a number of reset transistors Tr and a number of elements for amplifying transistors Tr
  • Element regions for SEL1 SELn ST1 STn and output transistors Tr to Tr are formed. Here is one
  • the MOS transistor force including a gate electrode 63 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 62 formed on both sides of the gate electrode 63 is also configured.
  • the electrical connection of the reset transistor Tr is also the image sensor of the fifth embodiment.
  • the configuration of the amplification transistor Tr is the same as that of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above (see Fig. 8).
  • the MOS transistor force including the gate electrode 65 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 formed on both sides of the gate electrode 65 is also configured. It is.
  • the electrical connection of the amplification transistor Tr is also the same as that of the image sensor 2 (
  • each of the n selection transistors Tr to Tr is the same as that of the fifth embodiment described above.
  • the MOS transistor stacker includes a gate electrode 67 and a pair of n + type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of the gate electrode 67. It is configured. A storage capacitor and an output transistor are connected to the MOS transistor so as to have a circuit configuration as shown in FIG.
  • (Region) 66 is one n + type region (source drain) of the corresponding amplifying transistor Tr via the conductive contact plugs 70 and 69 formed in the wiring structure 74 and the wiring film 73.
  • the gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74, and the output selection signal ⁇
  • n + region 6 constitutes a MOS capacitor that functions as a storage capacitor C together with an n + -type region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67a. This n + region 6
  • 6a is a MOS transistor that functions as an output transistor Tr together with a gate electrode 67b and an n + region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67b from the n + region 66a.
  • the gate electrode 67a is at the end of a predetermined potential (usually the power supply voltage V).
  • the gate electrode 67b is electrically connected to the output control line 39a via a wiring (not shown), and the output control signal ⁇ is applied.
  • Block 12 (each including 11 pixels), (k X m) pairs of transfer gates TG to TG) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21
  • RST AMP Storage Capacitor Groups C to C and (kX m) Sets of Transistor Groups Tr to Tr and (kX m) Sets
  • Output transistor groups Tr to Tr are formed in the lower semiconductor layer 22 ′ and further embedded.
  • the pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21 and the reset transistor Tr and amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22 ′ are connected.
  • the main surface above the lower semiconductor circuit layer 22 ' (the surface of the wiring structure 74) is formed on the main surface below the upper semiconductor circuit layer 21 (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. ) Are electrically and mechanically connected to each other, so that both circuit layers 21 and 22 'constitute a two-stage semiconductor laminated structure (three-dimensional structure).
  • each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels are arranged in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals ⁇ to ⁇ .
  • the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
  • FIG. 10 shows the main part of the addressing type image sensor 2B according to the seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration, and FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part showing an actual structure of the image sensor 2B.
  • This image sensor 2B uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5).
  • the upper semiconductor circuit layer 21A and the lower semiconductor circuit layer 22A ′ are stacked to form a two-dimensional three-dimensional image sensor 2B. It is a laminated structure.
  • the image sensor 2B corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • the overall configuration and operation of the image sensor 2B are the same as those shown in FIG. Therefore, the description regarding them is omitted.
  • the circuit configuration shown in FIG. 10 is the same as the sensor circuit 1C of the fourth embodiment in FIG. 5 except that the embedded wiring 23 is added. The description is omitted.
  • the image sensor 2B includes an upper semiconductor circuit layer 21A and a lower semiconductor circuit layer 22A ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating material. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91.
  • the configuration is that the image sensor 2A of the sixth embodiment (see FIGS. 7 and 9) is formed in the lower semiconductor circuit layer 22 ′, and (k X m) reset transistors Tr are connected to the upper semiconductor circuit layer 21. inside
  • the upper semiconductor circuit layer 21A includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) photodiode groups PD to PD) and (k X n) X m photodiodes.
  • Transfer gates that is, (k X m) pairs of transfer gates TG to TG
  • (k X m) reset transistors Tr and (k X m) embedded wirings 23 are formed.
  • the reset transistor Tr includes the gate electrode 49 and the gate electrode 4
  • a MOS transistor force including a pair of n + type regions (source / drain regions) 48 formed on both sides of 9 is also formed.
  • the gate electrode 49 is electrically connected to the corresponding reset line 31 via the wiring in the wiring structure 47 formed on the surface of the substrate 40.
  • One n + type region 48 (source and drain region) is supported by the conductive contact plug 50, the wiring film 46, the conductive contact plug 23a, and the embedded wiring 23 formed in the wiring structure 47.
  • the bump electrode 90 is electrically connected.
  • the source “drain region” of the reset transistor Tr corresponds to the corresponding amplification transistor of the lower semiconductor circuit layer 22A. It is electrically connected to the gate electrode 65 of the transistor Tr.
  • the lower semiconductor circuit layer 22A includes (k X m) amplifier transistors Tr and (k X m) pairs.
  • the image sensor 2B according to the seventh embodiment shown in FIGS. 10 and 11 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment.
  • (k X m) pixel blocks 12 each block 12 includes n pixels 11
  • the embedded wiring 23 is formed in the upper semiconductor circuit layer 21A, and (k X m) amplification transistors Tr and (k X m) sets of selection transistor groups Tr to Tr and (k X m) sets are used for storage. Yong
  • the reset transistor Tr in the upper semiconductor circuit layer 21 and the amplification transistor in the lower semiconductor circuit layer 22A ′ are formed in the body layer 22A ′ and further passed through the embedded wiring 23 and the bump electrode 90.
  • both circuit layers 21A and 22A constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
  • each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals ⁇ to ⁇ .
  • the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2C according to the eighth embodiment of the present invention.
  • This image sensor 2C is the same as the output of the storage capacitors C to C in the image sensor 2B of the seventh embodiment described above (see FIGS. 10 and 11).
  • the image sensor 2C includes an upper semiconductor circuit layer 21A and a lower semiconductor circuit layer 22A, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrical isolation. It is configured to be mechanically and electrically connected using an edge adhesive 91.
  • the configuration of the upper semiconductor circuit layer 21A is the same as that of the image sensor 2B of the seventh embodiment.
  • the configuration of the lower semiconductor circuit layer 22A is such that the memory capacitors C to C and the output transistors Tr to Tr are deleted from the lower semiconductor circuit layer 22A ′ of the image sensor 2B of the seventh embodiment.
  • the signal charges of all the pixels 11 are reduced for the same reason as described in the image sensor 2B of the seventh embodiment.
  • Substantially simultaneous storage substantially simultaneous shirting is possible, and a moving subject can be imaged at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • a high pixel aperture ratio for example, about 60%
  • the size of the pixel 11 itself can be reduced.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2D according to the ninth embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2D.
  • This image sensor 2D uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5).
  • the upper semiconductor circuit layer 21B and the lower semiconductor circuit layer 22B ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured.
  • the image sensor 2B corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • the image sensor 2D includes an upper semiconductor circuit layer 21B and a lower semiconductor circuit layer 22B ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating material. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91.
  • the configuration is such that (k X m) amplifying transistors Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22A ′ in the image sensor 2B of the seventh embodiment (see FIGS. 10 and 11) are connected to the upper semiconductor circuit.
  • the upper semiconductor circuit layer 21B has (k X n) X m photodiodes (ie, That is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD), (k X n) X m transfer gates (that is, (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG), (K X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m) embedded wirings 23
  • the configuration of the photodiodes PD to PD, transfer gates TG to TG, and reset transistor Tr is the same as that of the image sensor 2B of the seventh embodiment.
  • the amplification transistor Tr includes a gate electrode 53 and a gate electrode 53.
  • n + -type regions (source and drain regions) 52 formed on both sides of the MOS transistor.
  • the gate electrode 53 is connected to the reset transistor Tr and the transformer via the conductive contact plug 54 and the wiring film 46 formed in the wiring structure 47.
  • n + type region 52 (source / drain region) is supported through the conductive contact plug 55, the wiring film 56, the conductive contact plug 23a, and the buried wiring 23 formed in the wiring structure 47.
  • the bump electrode 90 is electrically connected. As a result, the source / drain region of the amplification transistor Tr
  • Area corresponds to the corresponding selection transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22B ′.
  • the lower semiconductor circuit layer 22B includes (k X m) sets of select transistor groups Tr T
  • ⁇ Tr is formed. This configuration is the same as that of the seventh embodiment (see FIGS. 10 and 11).
  • OUT1 to Tr are the same as in the seventh embodiment.
  • the image sensor 2D according to the ninth embodiment shown in FIGS. 13 and 14 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment, ( k x m) pixel blocks 12 (each block 12 contains n pixels 11) and (k X m) Sfagate group TG to TG) and (k X m) reset transistors Tr
  • the amplification transistor Tr in the upper semiconductor circuit layer 21B and the selection transistor in the lower semiconductor circuit layer 22B ′ are formed in the body layer 22B ′ through the embedded wiring 23 and the bump electrode 90.
  • Transistors Tr to Tr are electrically interconnected.
  • the upper main surface (the surface of the wiring structure 74) of the lower semiconductor circuit layer 22B ' is formed on the lower main surface (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91.
  • the circuit layers 21B and 22B ' constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
  • signal charges for all the pixels 11 can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
  • each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • a high pixel aperture ratio for example, about 60%
  • the size of the pixel 11 itself can be reduced.
  • output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals ⁇ to ⁇ .
  • the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2E according to the tenth embodiment of the present invention.
  • the image sensor 2E includes storage capacitors C to C in the image sensor 2C of the ninth embodiment described above (see FIGS. 13 and 14).
  • the image sensor 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of the tenth embodiment includes an upper semiconductor circuit layer 21B and a lower semiconductor circuit layer 22 ⁇ , embedded wiring 23, fine bump electrodes 90, and electrical insulation.
  • the adhesive 91 is used to mechanically and electrically connect.
  • the configuration of the upper semiconductor circuit layer 21B is the same as that of the image sensor 2D of the ninth embodiment.
  • the structure of the lower semiconductor circuit layer 22 ⁇ is composed of the storage capacitor elements C to C and the output transistors Tr to Tr from the lower semiconductor circuit layer 22B ′ of the image sensor 2D of the ninth embodiment.
  • the signal charges of all the pixels 11 are substantially equal. Simultaneous storage (substantially simultaneous shirting) is possible, and it is possible to image a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
  • each pixel 11 of the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), so three or four pixels can be arranged in one pixel.
  • MOS transistor gate element
  • a high pixel aperture ratio for example, about 60%
  • the size of the pixel 11 itself can be reduced.
  • FIG. 16 shows the main part of the addressing type image sensor 2F according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2F.
  • This image sensor 2F uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5).
  • the upper semiconductor circuit layer 21C and the lower semiconductor circuit layer 22C ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured.
  • the image sensor 2F corresponds to an image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • the image sensor 2F includes an upper semiconductor circuit layer 21C and a lower semiconductor circuit layer 22C ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating layer. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91.
  • the configuration is such that (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG formed in the upper semiconductor circuit layer 21 in the image sensor 2A according to the sixth embodiment (see FIGS. 7 and 9), It corresponds to the one moved into the lower semiconductor circuit layer 22 ′.
  • the upper semiconductor circuit layer 21C includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD) and (k X m) embedded wirings. Only 23 are formed.
  • the configuration of the photodiodes PD to PD is almost the same as that of the image sensor 2A of the sixth embodiment (see Figs. 7 and 9), but one photodiode is provided in each element region of the substrate 40. Is different.
  • an n + region 42 is formed over the entire surface of one of a plurality of element regions formed on the surface region of the p-type substrate 40 by the element isolation insulating film 41.
  • the n + region 42 forms the photodiode PD.
  • a through-hole penetrating the element isolation insulating film 41 and the substrate 40 in the vertical direction (in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 40) is formed at an appropriate position overlapping the element isolation insulating film 41.
  • the entire inner wall of the through hole in contact with the substrate 40 is covered with an insulating film 24.
  • the inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material, and the conductive material forms the embedded wiring 23.
  • the upper end of the embedded wiring 23 is exposed from the surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is connected to the lower surface of the wiring film 57 formed inside the wiring structure 47. Has been.
  • the n + region 42 is electrically connected to the embedded wiring 23.
  • the lower end of the embedded wiring 23 is exposed from the back surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 !.
  • the lower semiconductor circuit layer 22C includes (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG, and (k
  • the quantum elements C to C and the output transistors Tr to Tr are the same as those in the sixth embodiment.
  • the transfer gates TG to TG have the following configuration.
  • a MOS transistor including a gate electrode 77 and a pair of n + type regions (source and drain regions) 76 formed on both sides of the gate electrode 77 is sandwiched. Jistaka et al.
  • a transfer gate control signal ⁇ is applied to the gate electrode 77 via a wiring (not shown).
  • the conductive bumps 90 are electrically connected to the corresponding bump electrodes 90 through the conductive contact plugs 78, 80 and 82 formed in the line structure 74 and the wiring films 79, 81 and 83.
  • the source / drain region of the transfer gate TG is electrically connected to the corresponding photodiode PD of the upper semiconductor circuit layer 21 C through the buried wiring 23.
  • the other n + type region 76 (source / drain region) of the MOS transistor is amplified with the corresponding reset transistor Tr via a conductive contact plug 78 formed inside the wiring structure 74 and a wiring film (not shown). It is electrically connected to the transistor Tr.
  • the transfer gates TG to TG have the same structure as the transfer gate TG. This
  • the transfer gates TG to TG in the lower semiconductor circuit layer 22C ′ are electrically connected to the photodiodes PD to PD in the upper semiconductor circuit layer 21C through the embedded wiring 23, respectively.
  • the image sensor 2F according to the eleventh embodiment shown in FIGS. 16 and 17 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment.
  • (K X m) pixel blocks 12 each block 12 includes n pixels 11) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21C, and (k X m) thread gate transfer gate group TG to TG), (k X m) reset transistors Tr and (k X m) amplification transistors
  • both circuit layers 21C and 22C constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
  • signal charges for all the pixels 11 can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
  • each pixel 11 of the pixel block 12 includes only one photodiode, so that one pixel includes three or four MOS transistors in addition to the photodiode, compared to a conventional CMOS image sensor. Therefore, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced. In particular, it can be made smaller than in the case of the fifth to tenth embodiments.
  • the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21C It is possible to increase the ratio of. In particular, it can be made higher than in the case of the fifth to tenth embodiments.
  • output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals ⁇ to ⁇ .
  • the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2G according to the twelfth embodiment of the present invention.
  • This image sensor 2G is the same as the image sensor 2F of the eleventh embodiment described above (see FIGS. 16 and 17), with the lower semiconductor circuit layer 22C ′ being left as it is, and the substrate 40 in the upper semiconductor circuit layer 21C being turned upside down. Corresponds to the orientation.
  • This image sensor 2G corresponds to the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention.
  • the image sensor 2G includes an upper semiconductor circuit layer 21D and a lower semiconductor circuit layer 22D ′, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating adhesive. 91 and mechanically and electrically connected.
  • the configuration of the lower semiconductor circuit layer 21 D ′ is the same as that of the lower semiconductor circuit layer 21 C ′ of the image sensor 2F of the eleventh embodiment.
  • the embedded wiring 23 is not used.
  • the substrate 40 is turned upside down with respect to the upper semiconductor circuit layer 21C of the image sensor 2F of the eleventh embodiment, the wiring structure 47 is on the lower side, and the substrate 40 is on the upper side. Is located. Since external light passes through the substrate 40 and is irradiated to the photodiodes PD to PD, the thickness of the substrate 40 is made thinner than in the case of the image sensor 2F of the eleventh embodiment.
  • conductive contact plugs 58 electrically and mechanically connected to the respective surfaces of the plurality of n + type regions 42 constituting the photodiodes PD to PD, and those A plurality of wiring films 59 that are electrically and mechanically connected to the conductive contact plug 58 are formed. These wiring films 59 are disposed in the vicinity of the surface of the wiring structure 47 and are electrically and mechanically connected to the corresponding bump electrodes 90. In this way, the photodiodes PD to PD correspond to the corresponding bump electrodes.
  • the corresponding transfer gates TGi and TGj in the lower semiconductor circuit layer 22D ′ are electrically connected through 90.
  • FIG. 20 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit 3 according to the thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a functional block diagram showing the overall configuration of an addressing type image sensor in which the sensor circuit 3 is used. This sensor circuit 3 corresponds to the sensor circuit according to the second aspect of the present invention.
  • the overall configuration of the image sensor of FIG. 19 is the addressing type image sensor shown in FIG. 1 except that each reset line 31 is provided through k pixel blocks 12a belonging to the same column. Is identical to that of That is, (k X n) X m pixels 11a arranged in a matrix of (k X n) rows and m columns are provided. In each pixel block 12a, n pixels 11a belonging to the same column are grouped and connected in parallel to a common node (not shown in FIG. 19, corresponding to the common node 13a in FIG. 20).
  • each pixel block 12a m reset lines 31 each extending along a corresponding column of the pixel matrix are formed so as to penetrate through the pixel block 12a belonging to the column.
  • Each reset line 31 is connected to one reset transistor for each pixel 11a.
  • the n transistors 11a belonging to the pixel block 12a are connected to the reset transistor Tr.
  • the amplification transistor T is connected to each pixel block 12a.
  • n reset transistor groups T to Tr are the corresponding pixels
  • An amplifying transistor T is arranged in each of the n pixels 11a in the block 12a.
  • Each reset line 31 is used to reset the signal charge of the pixel 1la in the k pixel blocks 12a belonging to the corresponding column.
  • the application is performed using the corresponding reset transistors T to Tr. Each amplification run
  • the register T increases the signal read from the pixel l la in the corresponding pixel block 12a.
  • AMP Width is used to send to the corresponding column signal line 37.
  • the signals amplified in (1) are sent to the corresponding column signal lines 37 in order.
  • FIG. 20 shows a circuit configuration of two pixel blocks 12a (i, j) and 12a (i + 1, j) belonging to the j-th column.
  • the upper pixel block 12 (i, j) includes pixels 11 belonging to the [ n x (i ⁇ 1) +1] row to the (n X i) row of the j-th column.
  • the lower pixel block 12 (i + 1, j) includes pixels 11 belonging to the [n X i + 1] row to the [n X (i + 1)] row of the j th column. Since these two pixel blocks 12 (i, j) and 12 (i + 1, j) have the same configuration, in the following description, the upper pixel block 12 (i, j) will be mainly described.
  • the pixel block 12a (i, j) includes n pixels 11a.
  • n photodiodes PD to PD, n transfer gates TG to TG, and n reset transistors Tr to Tr are included.
  • Each pixel 11a has one photo diode
  • Each of the transfer gates TG to TG is composed of a MOS transistor. Reset transistor Tr
  • Each of .about.Tr is also composed of MOS transistors.
  • Each anode of D is one source of the corresponding one of the transfer gates TG to TG 'the drain region and one source of the corresponding one of the reset transistors Tr to Tr'
  • the force sword is connected in common to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential).
  • Reset transistor T to Tr
  • the common node 13a of the pixel block 12a (i, j) is the gate of the corresponding amplification transistor T.
  • the amplification transistor T is provided outside the pixel block 12a (i, j).
  • AMP I was kicked.
  • One source / drain region of the amplification transistor T is connected to a DC power source (electrical
  • Source voltage v
  • drain region output side
  • the source-drain region on the output side of the amplification transistor T is connected to the corresponding column signal line 37.
  • the serial (time-series) output signals of the photodiodes PD to PD are sequentially sent to the corresponding CDS circuit 36. Then, when sent from the CDS circuit 36 to the horizontal signal line 33, the column signal line 37 is selected via the m column selection signals 38 by the scanning of the horizontal scanning circuit 35, whereby the serial output signal is Sent to horizontal signal line 33. Thereafter, the signal is sent to an output terminal (not shown) of the image sensor provided at one end (right end in FIG. 19) of the horizontal signal line 33.
  • All the pixel blocks 12a other than the pixel block 12a (i, j) have the same configuration as the pixel block 12a (i, j).
  • the serial output signals of the photodiodes PD to PD are sent to the output terminal of the image sensor. Thus, the subject can be imaged.
  • Transfer gates TG to TG are turned on.
  • the logic state of ⁇ is set to H, and all reset transistors Tr to Tr are turned on.
  • the diodes are applied simultaneously to PD PD.
  • a batch reset of all the pixels 11a that is, a “global reset” is performed.
  • the voltage at the gate electrode is also reset.
  • the logic state of ⁇ is set to L, and all transfer gates TG to TG are turned off.
  • the transistors Tr to Tr are also shut off.
  • the photodiodes PD to PD of all the pixels 11a are irradiated with light, and signal charges are generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD collectively.
  • the irradiation time is usually several hundred ⁇ sec to 3 ⁇ 4Cmsec.
  • RST The logic state of RST is set to H, all reset transistors Tr to Tr are turned on at once, and
  • the logic state of the gate control signals ⁇ to ⁇ is H, and all the transfer gates TG to TG are
  • the RST logic state is set to L again and all reset transistors Tr to Tr are turned off at once.
  • a signal proportional to the amount of charge generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD as described above is read out from each pixel 11a and amplified in the form of voltage as follows.
  • n transfer gate control signals ⁇ in the pixel block 12a are selected.
  • the amplification transistor Tr connected to the node 13a in the source follower form is the gate of the amplification transistor Tr.
  • the signal read out to the node 13a is immediately amplified by the amplification transistor Tr.
  • the amplified signal is then transferred to the amplification transistor.
  • the source / drain region force on the output terminal side of the transistor Tr is output toward the column signal line 37.
  • the reset voltage V is applied to the node 1 by turning on the reset transistor Tr.
  • the total number of amplification operations by the amplification transistor Tr is n.
  • the total number of set operations is n.
  • the first transfer gate TG of the pixel block 12a is temporarily turned on, and the signal proportional to the signal charge accumulated in the first photodiode PD. To node 13a. The signal is immediately amplified by the amplification transistor Tr, and the obtained amplified signal is sent to the column signal line 37. Continued
  • the reset transistor Tr connected to this photodiode PD is temporarily turned on.
  • the reset voltage V is temporarily applied to the node 13a, so that the amplification transistor Tr
  • a signal proportional to the signal charge stored in the second photodiode PD is a signal proportional to the signal charge stored in the second photodiode PD.
  • the amplified signal is sent to the column signal line 37. Next, contact the photodiode PD.
  • n signals from which all the photodiodes PD to PD in the pixel block 12a can also be obtained are connected to the source terminal n AMP on the output terminal side of the amplification transistor Tr.
  • the rain region force is also output in sequence toward the column signal line 37 in time series.
  • the signal output from the pixel block 12a is a signal in which n pulse waveforms reflecting the amount of signal charges (the amount of irradiated light) of the photodiodes PD to PD are connected at a predetermined interval.
  • a signal output from the pixel block 12a that is, one serial signal in which n pulses are connected at a predetermined interval, is sent to a known sample 'and' hold circuit or AZD conversion circuit. Predetermined signal processing is performed.
  • RSTl RSTn AMP gate electrode reset operation required number of times (that is, n times) (total reset time) and the time from all the pixels 11a (photodiodes PD to PD) in the pixel block 12a
  • Time required to amplify the signal with the corresponding amplification transistor Tr (total amplification time) N times (total number of pixels 11a in each pixel block 12a) so that it is sufficiently smaller than the shortest signal charge accumulation period ( 125 sec) Is set, signal charge accumulation (exposure) is performed substantially simultaneously on the pixels 11a (photodiodes PD to PD) belonging to all the pixel blocks 12a.
  • the signal charges for all the pixels 11a can be accumulated substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting).
  • each power of all pixel blocks 12a outputs (k X m) output serial signals independently, so that these output serial signals are processed by analog-digital (AZD) conversion and the like. Can be done in parallel. Therefore, data processing can be performed at a higher speed than that in the conventional CMOS image sensor. This also contributes to the realization of practical simultaneous shirting.
  • the serial output signal output from each pixel block 12a is generated at the beginning of the scanning period as the closer to the end of the scanning period, '
  • the charge accumulation period is slightly longer than the output one. For this reason, when it is desired to obtain image data with higher fidelity or to increase the n value, a known circuit that performs signal correction in accordance with the change in the charge accumulation period may be provided in the subsequent stage. This is because the influence of fluctuations in the charge accumulation period can be suppressed or avoided.
  • each pixel 11a in the pixel block 12a is assigned to one pixel block 12a.
  • a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
  • This pixel aperture ratio includes only one photodiode and one gate element in the first embodiment. Compared to an image sensor using the sensor circuit 1 (see Fig. 1 and Fig. 2), it is lower by the reset transistor.
  • n output signal powers of n photodiodes PD to PD force are output from each of the amplification transistors Tr in a serially connected form, so that the amplification transistor Tr
  • FIG. 21 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 4 according to the fourteenth embodiment of the present invention
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 4.
  • the image sensor 4 includes an amplification transistor Tr provided for each pixel block 12a in the sensor circuit 3 (see FIG. 20) of the thirteenth embodiment described above.
  • n select transistors Tr to Tr (second gate
  • n output signals from n photodiodes PD to PD amplified are output in parallel via select transistors Tr to Tr
  • a sensor circuit is used, and the upper semiconductor circuit layer 21E and the lower semiconductor circuit layer 22E are stacked to form a two-stage three-dimensional stacked structure.
  • the image sensor 4 corresponds to the image sensor according to the fourth aspect of the present invention, and the sensor circuit used therein corresponds to the sensor circuit according to the second aspect of the present invention.
  • the overall configuration and operation of the image sensor 4 are the same as those shown in FIG. 19, and a description thereof will be omitted.
  • the circuit configuration of FIG. 21 is obtained by adding n selection transistors Tr to Tr (second gate elements) to the sensor circuit 3 of the thirteenth embodiment of FIG.
  • each pixel block 12a formed in the semiconductor circuit layer 21E is electrically connected to the gate electrode of the amplification transistor Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22E.
  • the One embedded wiring 23 is provided for each pixel block 12a (ie, n pixels 11a).
  • the image sensor 4 includes an upper semiconductor circuit layer 21E and a lower semiconductor circuit layer 22E, embedded wiring 23, fine bump electrodes 90, and an electrically insulating adhesive. 91, and mechanically and electrically connected.
  • the upper semiconductor circuit layer 21E includes (kXn) Xm photodiodes (that is, (kXm) photodiode groups PD to PD) and (k Xn) Xm transfer gates (that is, (kXm) groups. Transfer gate groups TG to TG) and (kXn) Xm reset transistors (that is, (kXm) sets of reset transistor groups Tr 1 to Tr 3).
  • the upper semiconductor circuit layer 21E further includes (kXn)
  • the embedded wiring 23 is formed.
  • the lower semiconductor circuit layer 22E includes (kXm) amplifying transistors Tr and (kXn) Xm
  • the element isolation insulating film 41 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 40, so that the layout of FIG. (KXn) Xm element regions are formed in a matrix. Each of these element regions corresponds to one pixel 11a.
  • the photodiode PD is a p-type as shown in FIG.
  • the transfer gate TG is formed of a MOS transistor including a gate electrode 44 and an n + type region 43 facing the n + type region 42 with the gate electrode 44 interposed therebetween. Since the transfer gate TG shares the n + type region 42 of the photodiode PD, it is electrically connected to the anode of the photodiode PD of one source'drain region force of the transfer gate TG.
  • the gate insulating film existing between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is omitted in FIG.
  • the gate electrode 44 is electrically connected to the corresponding read control line 32 via the wiring in the wiring structure 47 formed on the surface of the substrate 40.
  • the reset transistor Tr is composed of a gate electrode 49 and an n + type sandwiching the gate electrode 44 therebetween.
  • the reset transistor Tr shares the n + region 42 of the photodiode PD.
  • one source / drain region of the reset transistor Tr is connected to the photodiode PD.
  • n + type region 43a (source / drain region) is applied with a reset voltage V via a wiring (not shown).
  • Tr to Tr are the photodiode PD, transfer gate TG, and reset transistor, respectively.
  • RST2 RSTn 1 1 Has the same configuration as the transistor Tr.
  • n wiring films 46 formed in a predetermined pattern and n n + type regions 43 of the transfer gates TG to TG are electrically connected to the wiring film 46.
  • the conductive contact plug 45 is formed inside the wiring structure 47. Since the n transfer gates TG to TG in the pixel block 12a (i, j) are electrically connected to the wiring film 46 by the contact plugs 45, the transfer gates TG to TG are common. This means that it is connected to node 13a in parallel.
  • n + type region 43 in the upper semiconductor circuit layer 21E is a function of the FD (floating diffusion) region, that is, a function of converting the signal charge accumulated in the photodiodes PD to PD into a voltage signal by photoelectric conversion. have.
  • the element isolation insulating film 41 and the substrate 40 are placed on the substrate 40 at a position overlapping the element isolation insulating film 41 adjacent to the n + type regions (source and drain regions) 43 of the transfer gates TG to TG.
  • the entire inner wall of the portion of the through hole in contact with the substrate 40 is covered with the insulating film 24.
  • the inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material, and the conductive material forms the embedded wiring 23.
  • the upper end of the embedded wiring 23 is exposed from the surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is connected to the lower end of the conductive contact plug 23a formed inside the wiring structure 47. .
  • the upper end of the conductive contact plug 23 a is connected to a wiring film 46 formed inside the wiring structure 47. Therefore, the embedded wiring 23 is electrically connected to the corresponding wiring film 46 through the conductive contact plug 23a.
  • the n + type regions (source and drain regions) 43 of the n transfer gates TG to TG of the pixel block 12a (i, j) correspond to the corresponding embedded wirings 23 as in the circuit configuration shown in FIG. Are electrically connected to each other.
  • the back surface force of the substrate 40 is also exposed, and mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 at the lower end.
  • the element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, and accordingly, a predetermined number of amplification transistors T r are used. An element area and an element area for a predetermined number of select transistors Tr to Tr are formed.

Abstract

Provided is a sensor circuit and an address specification type image sensor capable of accumulating signal charges of all the pixels substantially simultaneously and realizing a high pixel numerical aperture. A plurality of pixels (11) arranged in a matrix are divided into groups of n pixels, which are connected in parallel to a common node (13) so as to constitute a plurality of pixel blocks (12). Each of the pixel blocks (12) includes: n photoelectric conversion elements (PD1 to PDn) connected in parallel to the common node (13); and n transfer gates (TG1 to TGn) for opening and closing channels connecting the photoelectric conversion elements (PD1 to PDn) and the common node (13). Outside of each of the pixel blocks (12), a common reset transistor (TrRST) for resetting all the pixels (11) and a common amplification transistor (TrAMP) for amplifying the signal read from the n pixels (11).

Description

明 細 書  Specification
集積センサを搭載した積層型半導体装置  Stacked semiconductor device with integrated sensor
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、集積センサを搭載した積層型半導体装置に関し、さらに言えば、光電 変換素子、トランスファ (転送)ゲート、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタを含む センサ回路と、そのセンサ回路を使用して簡単な構成で全ピクセルについて同時シ ャッタ(グローバル 'シャツタ、同時露光)を可能としたアドレス指定型イメージセンサに 関する。  The present invention relates to a stacked semiconductor device equipped with an integrated sensor, and more specifically, a sensor circuit including a photoelectric conversion element, a transfer (transfer) gate, a reset transistor, and an amplification transistor, and using the sensor circuit The present invention relates to an addressable image sensor that enables simultaneous shuttering (global 'shutter, simultaneous exposure) for all pixels with a simple configuration.
背景技術  Background art
[0002] 固体撮像装置としては、従来より、マトリックス状に配置された全画素の信号電荷を CCD (Charge-Coupled Device,電荷結合素子)を用いて転送する構成の CCDィメ ージセンサ(電荷転送型イメージセンサ)が多く利用されてきた。しかし、近年は、水 平方向及び垂直方向に走査することにより、マトリックス状に配置された全画素の各 々を選択する CMOSイメージセンサ (X—Yアドレス指定型イメージセンサ)の利用が 増えてきており、高級一眼レフのデジタル'スチル 'カメラや携帯電話機にまで使用さ れるようになっている。これは、 CCDイメージセンサと比較して、電源が一つで済む、 低消費電力である、標準の CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, 相補型金属 酸ィヒ物 半導体)プロセスで製造できる、システム ·オン ·チップの実 現が容易である、といった CMOSイメージセンサの利点が重視されるようになったた めと考えられる。  Conventionally, as a solid-state imaging device, a CCD image sensor (charge transfer type) configured to transfer signal charges of all pixels arranged in a matrix using a CCD (Charge-Coupled Device). Many image sensors have been used. However, in recent years, the use of CMOS image sensors (XY addressing type image sensors) that select each of all the pixels arranged in a matrix by scanning in the horizontal and vertical directions has increased. It is also used in high-end SLR digital 'still' cameras and mobile phones. This is a system that can be manufactured with a standard CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) process, which requires only one power supply and has low power consumption compared to a CCD image sensor. This is probably because the advantages of CMOS image sensors such as on-chip are easy to realize.
[0003] しかし、従来の一般的な CMOS (アドレス指定型)イメージセンサには、以下に述べ るような二つの問題がある。  [0003] However, the conventional general CMOS (addressing type) image sensor has the following two problems.
[0004] 第一の問題は、全画素についての信号電荷の同時蓄積 (換言すれば、同時ないし グローバルシャツタイ匕)ができない、という点である。 [0004] The first problem is that simultaneous accumulation of signal charges for all pixels (in other words, simultaneous or global shirt tie) is not possible.
[0005] すなわち、 CCDイメージセンサでは、全画素について同一時刻に信号電荷の蓄積 が開始され、蓄積された信号電荷は各画素力 一斉に読み出されて転送されるため[0005] That is, in the CCD image sensor, accumulation of signal charges is started at the same time for all pixels, and the accumulated signal charges are read and transferred simultaneously for each pixel force.
、信号電荷の蓄積期間 (これは露光期間に等しい)は全画素について同一である。こ れに対し、従来の CMOSイメージセンサでは、画素マトリックスの各行毎にあるいは 各画素毎に信号電荷の蓄積が開始され、各画素に蓄積された信号電荷はアドレス 指定によって各画素力 順に時系列的に読み出されるため、各画素の信号電荷の 蓄積期間に時間的なズレ(タイミングのズレ)がある。したがって、 CCDイメージセンサ のような信号電荷の同時蓄積ができない。その理由を図 33と図 30を用いて説明する The signal charge accumulation period (which is equal to the exposure period) is the same for all pixels. This On the other hand, in the conventional CMOS image sensor, signal charge accumulation is started for each row of the pixel matrix or for each pixel, and the signal charge accumulated in each pixel is time-sequentially in order of each pixel force by addressing. Since it is read out, there is a temporal shift (timing shift) in the signal charge accumulation period of each pixel. Therefore, signal charge cannot be accumulated simultaneously as in a CCD image sensor. The reason is explained with reference to Fig. 33 and Fig. 30.
[0006] 図 33 (a)は、 CCDイメージセンサの一般的な回路構成を示す概念図であり、図 33 FIG. 33 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a CCD image sensor.
(b)は同 CCDイメージセンサの信号電荷の蓄積期間を示す概念図である。図 30 (a) は、従来の CMOSイメージセンサの一般的な回路構成を示す概念図であり、図 30 ( b)は同 CMOSイメージセンサの信号電荷の蓄積期間を示す概念図である。(米本和 也著「CCD/CMOSイメージ 'センサの基礎と応用」(CQ出版社、 2003年発行) 17 5頁及び 179頁を参照)。  (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the CCD image sensor. FIG. 30 (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CMOS image sensor, and FIG. 30 (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the CMOS image sensor. (See Kazuya Yonemoto, “CCD / CMOS Image 'Sensor Basics and Applications” (CQ Publisher, published in 2003) 17 pages 179 and 179).
[0007] CCDイメージセンサは、図 33 (a)に示すように、マトリックス状に配置された複数の 画素の各々が光電変換素子としてのフォトダイオードを含んでおり、それらフォトダイ オードの各々は照射された光の強さに応じた量の信号電荷を蓄積する。各画素に蓄 積された信号電荷は、各画素用に設けられたトランスファゲート(図示せず)を介して 、画素マトリックスの列の各々に沿って配置された垂直 CCDに一斉に読み出される。 この垂直 CCDへの読み出しは、通常、垂直ブランキング期間の最後に一斉に行わ れる。各垂直 CCDに読み出された信号電荷は、当該垂直 CCDの垂直転送作用に よって、画素マトリックスの行に沿って配置された共通の水平 CCDまで順に転送され る。こうして水平 CCDに転送された信号電荷は、さらに、水平 CCDによってその出力 端に向力つて順に水平転送され、当該出力端に設けられた FD (Floating Diffiision, 浮遊拡散)アンプで増幅されて信号出力となる。  In the CCD image sensor, as shown in FIG. 33 (a), each of a plurality of pixels arranged in a matrix includes a photodiode as a photoelectric conversion element, and each of these photodiodes is irradiated. An amount of signal charge corresponding to the intensity of the emitted light is accumulated. The signal charges accumulated in each pixel are simultaneously read out to vertical CCDs arranged along each column of the pixel matrix via a transfer gate (not shown) provided for each pixel. This readout to the vertical CCD is usually performed simultaneously at the end of the vertical blanking period. The signal charge read out to each vertical CCD is sequentially transferred to a common horizontal CCD arranged along the row of the pixel matrix by the vertical transfer action of the vertical CCD. The signal charges transferred to the horizontal CCD in this way are further transferred horizontally by the horizontal CCD toward the output end, and amplified by a FD (floating diffusion) amplifier provided at the output end for signal output. It becomes.
[0008] CCDイメージセンサの信号電荷の蓄積期間は、図 33 (b)から容易に理解されるよ うに、 1フレームを構成する N本の走査線(1〜N)の各々に対応する画素つ!/、ての蓄 積期間が同じになる、換言すれば、蓄積期間が同一のタイミングで設定される。各画 素に蓄積された信号電荷が垂直 CCDに一斉に読み出されるという動作を考えれば 、このようになることは明らかであろう。 [0009] これに対して、従来の CMOSイメージセンサでは、図 30 (a)に示すように、マトリック ス状に配置された複数の画素の各々力 光電変換素子としてのフォトダイオードと、 そのフォトダイオードによって蓄積された信号電荷を増幅するアンプとを含んでいる。 画素マトリックス中の各画素の選択は、垂直走査回路で行選択線を順に選択すると 共に、水平走査回路で列信号線を順に選択する(つまり X— Yアドレスを順に指定す る)ことによって行われる。(図 30 (a)では、その様子を各画素中に設けられたスイツ チと各列信号線に設けられたスィッチとで示してある。)列信号線の各々に設けられ た CDS (Correlated Double Sampling,相関二重サンプリング)回路は、各列信号線 を流れる信号電荷力 ノイズを除去するための回路である。こうして各画素から選択 出力される信号電荷は、共通の水平信号線に順に送られ、当該水平信号線の一端 に接続された出力回路を経て信号出力となる。 [0008] The signal charge accumulation period of the CCD image sensor is, as can be easily understood from FIG. 33 (b), the pixel corresponding to each of the N scanning lines (1 to N) constituting one frame. ! /, The accumulation period is the same, in other words, the accumulation period is set at the same timing. It will be clear that this is the case when considering the operation that the signal charge accumulated in each pixel is read out to the vertical CCD all at once. On the other hand, in the conventional CMOS image sensor, as shown in FIG. 30 (a), each of a plurality of pixels arranged in a matrix has a photodiode as a photoelectric conversion element, and the photodiode. And an amplifier for amplifying the signal charge accumulated by the. Each pixel in the pixel matrix is selected by sequentially selecting row selection lines in the vertical scanning circuit and sequentially selecting column signal lines in the horizontal scanning circuit (that is, designating XY addresses in order). . (In Fig. 30 (a), this is shown by the switch provided in each pixel and the switch provided in each column signal line.) CDS (Correlated Double) provided in each column signal line The Sampling (correlated double sampling) circuit is a circuit for removing signal charge power noise flowing through each column signal line. The signal charges selectively output from each pixel are sequentially sent to a common horizontal signal line, and become a signal output through an output circuit connected to one end of the horizontal signal line.
[0010] 従来の CMOSイメージセンサの信号電荷の蓄積期間については、図 30 (b)に示 すように、 1フレームを構成する N本の走査線(1〜N)の各々に対応する画素つ!/、て の蓄積期間が、各走査線の走査タイミングに応じて順に時間的にずれてしまうことが 分かる。これは、 CMOSイメージセンサでは、 CCDイメージセンサのような垂直レジ スタ(垂直 CCD)が存在しないため、各画素の信号電荷をリセットするタイミングを変 えること〖こよって、信号電荷を対応する列信号線に送るタイミングをずらして ヽるから である。  [0010] Regarding the signal charge accumulation period of the conventional CMOS image sensor, as shown in Fig. 30 (b), the pixel corresponding to each of the N scanning lines (1 to N) constituting one frame is arranged. ! / It can be seen that the current accumulation period is shifted in time in accordance with the scanning timing of each scanning line. This is because a CMOS image sensor does not have a vertical register (vertical CCD) like a CCD image sensor, so changing the timing of resetting the signal charge of each pixel changes the signal charge to the corresponding column signal. This is because the timing of sending to the line is shifted.
[0011] このように、従来の CMOSイメージセンサでは、信号電荷の蓄積期間が走査線毎 にずれてしまい、信号電荷の同時蓄積 (換言すれば同時シャツタ化)ができないとい う難点があることから、高速移動する被写体を撮像すると、得られた画像に歪みが生 じる、という難点がある。例えば、高速回転する羽根を撮像すると、図 34 (b)のように 歪んだ画像となってしまう、という問題が生じるのである。これに対し、信号電荷の同 時蓄積(同時シャツタ化)が可能な CCDイメージセンサで撮像した場合は、画像は図 34 (a)に示すようになり、得られた画像に歪みは生じない(図 34は、上記「CCDZC MOSイメージ 'センサの基礎と応用」 180頁に基づく)。  As described above, in the conventional CMOS image sensor, since the signal charge accumulation period is shifted for each scanning line, there is a problem in that the signal charge cannot be accumulated at the same time (in other words, simultaneous chattering). However, there is a drawback that when an object moving at high speed is imaged, the obtained image is distorted. For example, if a blade rotating at a high speed is imaged, a problem arises that the image becomes distorted as shown in FIG. 34 (b). In contrast, when a CCD image sensor capable of simultaneously accumulating signal charges (simultaneous shirting) is used, the image is as shown in Fig. 34 (a), and the resulting image is not distorted ( Fig. 34 is based on “CCDZC MOS Image 'Sensor Basics and Applications” page 180 above).
[0012] 従来の CMOSイメージセンサの持つ第二の問題は、画素面積に比べて実効的な 受光領域が狭い、換言すれば、画素の開口率 (fill factor)が低い、という点である。そ の理由を図 31及び図 32を参照して説明する。図 31は、従来の CMOSイメージセン サの概略回路構成を示す回路図であり、図 32はその概略装置構造を示す要部断面 図である。 [0012] A second problem of the conventional CMOS image sensor is that the effective light receiving area is narrower than the pixel area, in other words, the pixel fill factor is low. So The reason for this will be described with reference to FIG. 31 and FIG. FIG. 31 is a circuit diagram showing a schematic circuit configuration of a conventional CMOS image sensor, and FIG. 32 is a cross-sectional view of an essential part showing the schematic device structure.
[0013] 図 31に示された回路構成は、 4トランジスタ型の画素を持つ CMOSイメージセンサ のものであり、 1画素中に、フォトダイオードの他に四つのトランジスタ(トランスファゲ ート、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、選択ゲート用の四つの MOSトランジスタ )を含んでいる。これらのトランジスタは、図 32の装置構造に示すように、 p型シリコン( Si)基板上に形成'配置されている。なお、 V は電源電圧、 V はリセット電圧であ  The circuit configuration shown in FIG. 31 is that of a CMOS image sensor having a 4-transistor type pixel. In addition to a photodiode, four transistors (transfer gate, reset transistor, Amplifying transistor, four MOS transistors for selection gate). These transistors are formed and arranged on a p-type silicon (Si) substrate as shown in the device structure of FIG. V is the power supply voltage and V is the reset voltage.
CC RST  CC RST
る。  The
[0014] 図 31の第 i行第 j列の画素 (i, j) (ただし、 i, jは正の整数)について説明すると、トラ ンスファゲートは、第 i行の読出制御線を介して電圧パルス φ を印加することにより  [0014] The pixel (i, j) (where i and j are positive integers) in the i-th row and j-th column in FIG. 31 will be described. The transfer gate is connected to the voltage pulse via the i-th row read control line. By applying φ
Ti  Ti
導通状態となり、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を、所定タイミングで、トラン スファゲートとリセットトランジスタと増幅トランジスタが相互接続されたノードに送る作 用をする。リセットトランジスタは、第 i行のリセット線を介して電圧パルス Φ を印加  It becomes conductive and sends the signal charge stored in the photodiode to the node where the transfer gate, reset transistor, and amplification transistor are interconnected at a specified timing. The reset transistor applies a voltage pulse Φ through the reset line in the i-th row
RST  RST
することにより導通状態となり、導通状態となったトランスファゲートを介して、フォトダ ィオードに蓄積された信号電荷を所定タイミングでリセットする(フォトダイオードに所 定のリセット電圧 V を印加する)作用をする。前記ノードに接続された増幅トランジ  By doing so, the signal charge accumulated in the photodiode is reset at a predetermined timing (applying a predetermined reset voltage V to the photodiode) via the transfer gate in the conductive state. Amplifying transistor connected to the node
RST  RST
スタは、ソースフォロア構成とされており、前記ノードに送出された信号電荷を増幅す る作用をする。選択ゲートは、第 i行の行選択線(図示せず)を介して電圧パルス Φ  The star has a source follower configuration and amplifies the signal charge sent to the node. The selection gate is connected to a voltage pulse Φ through a row selection line (not shown) of the i-th row.
SE  SE
を印加することにより導通状態となり、増幅された信号電荷を所定タイミングで対応 Is applied, and the amplified signal charge is handled at a predetermined timing.
Li Li
する第 j列の列信号線に送出する。なお、前記ノードに接続された c は、当該ノード sn  To the j-th column signal line. Note that c connected to the node is the node sn
に生じる寄生容量を示す。  Shows the parasitic capacitance generated.
[0015] CMOSイメージセンサの画素の回路構成には、 3トランジスタ型もある。 3トランジス タ型では、 1画素中に、フォトダイオードの他に三つのトランジスタ(リセットトランジスタ 、増幅トランジスタ、選択ゲート用の MOSトランジスタ)が含まれる。つまり、 4トランジ スタ型の構成カゝらトランスファゲートが省略された構成となる。 [0015] A circuit configuration of a pixel of a CMOS image sensor includes a three-transistor type. In the 3-transistor type, one pixel includes three transistors (a reset transistor, an amplifying transistor, and a MOS transistor for a select gate) in addition to a photodiode. In other words, the four-transistor type configuration gate and the transfer gate are omitted.
[0016] 図 31の回路構成は、図 32に示す構造として具体的に実現される。すなわち、 P型 シリコン (Si)基板の表面領域に素子分離絶縁膜によって画定された複数の素子領 域内に、フォトダイオードと、トランスファゲート、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ 、選択ゲートをそれぞれ構成する四つの MOSトランジスタが形成されている。 The circuit configuration of FIG. 31 is specifically realized as the structure shown in FIG. In other words, a plurality of element regions defined by element isolation insulating films on the surface region of a P-type silicon (Si) substrate. Within the region, there are formed four MOS transistors constituting a photodiode, a transfer gate, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection gate.
[0017] 従来の CMOSイメージセンサの装置構造では、図 32の要部断面図から明らかなよ うに、 4トランジスタ型と 3トランジスタ型のいずれであっても、四つまたは三つの MOS トランジスタが画素面積の多くの部分を占有するため、画素面積の中でフォトダイォ ード(の開口部)が占める面積の割合、すなわち「開口率」がかなり小さくなつて 、る。 従来の CMOSイメージセンサの開口率は、一般に 30%程度と低いのが通常である。 このため、感度が低下してしまうという問題があり、この感度低下を解消しょうとすると 、画素面積 (画素のサイズ)を拡大することが必要である力 それは微細化の要請に 反し、好ましくない。 In the conventional CMOS image sensor device structure, as is clear from the cross-sectional view of the main part of FIG. 32, four or three MOS transistors have a pixel area of either the four-transistor type or the three-transistor type. Therefore, the ratio of the area occupied by the photodiode (the opening) in the pixel area, that is, the “aperture ratio” is considerably small. The aperture ratio of conventional CMOS image sensors is usually as low as about 30%. For this reason, there is a problem that the sensitivity is lowered, and in order to eliminate the sensitivity reduction, it is necessary to increase the pixel area (pixel size).
[0018] 第一の問題として挙げた全画素同時シャツタ化を実現した CMOSイメージセンサの 一例が、特許文献 1 (特開 2004— 266597号公報)に開示されている。この CMOS イメージセンサは、画素内に、受光素子と、当該受光素子で発生した信号電荷を次 段へ転送する第 1転送手段と、当該第 1転送手段の出力を一時記憶する記憶部と、 前記受光素子および前記記憶部の電荷の初期化を行う初期化手段と、前記記憶部 に接続された第 2転送手段と、当該第 2転送手段からの電荷を電圧として外部に読 み出す電荷検出部とを備え、全画素一斉に前記第 1転送手段を動作させることにより 蓄積電荷の読み出しを行い、かつ、全画素一斉に前記初期化手段を動作させること により信号電荷の初期化を行うことを特徴とするものである(請求項 1を参照)。発明 の効果としては、「CMOSイメージセンサにおいて全画素同時に初期化する電子シ ャッタ動作を可能にし、かつ、画素回路も簡単で製造工程が単純化される。さらに、 画素内で増幅することにより低雑音化が図れる」とされている(段落 0036を参照)。  [0018] An example of a CMOS image sensor that realizes simultaneous shirting of all pixels mentioned as the first problem is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-266597). The CMOS image sensor includes, in a pixel, a light receiving element, a first transfer unit that transfers signal charges generated by the light receiving element to the next stage, a storage unit that temporarily stores an output of the first transfer unit, An initialization means for initializing the charge of the light receiving element and the storage section, a second transfer means connected to the storage section, and a charge detection section for reading the charge from the second transfer means as a voltage to the outside The stored charge is read by operating the first transfer means all at once for the pixels, and the signal charge is initialized by operating the initialization means for all the pixels all at once. (See claim 1). The effects of the invention are as follows: “In an CMOS image sensor, it is possible to perform an electronic shutter operation that simultaneously initializes all the pixels, and the pixel circuit is simple and the manufacturing process is simplified. Noise reduction can be achieved "(see paragraph 0036).
[0019] 他方、近年、複数の半導体チップを積層して三次元構造とした半導体装置が提案 されている。例えば、栗野らは 1999年に発行された「1999アイ'ィ一'ディー'ェム テク-カル 'ダイジェスト」において、「三次元構造を持つインテリジェント 'イメージセ ンサ ·チップ」を提案して!/ヽる (非特許文献 1参照)。  On the other hand, in recent years, semiconductor devices having a three-dimensional structure in which a plurality of semiconductor chips are stacked have been proposed. Kurino et al., For example, proposed an “intelligent 'image sensor chip with a three-dimensional structure” in the “1999 I'm D'em technical-digest” published in 1999! / Speak (see Non-Patent Document 1).
[0020] このイメージセンサ'チップは、 4層構造を持っており、第 1半導体回路層にプロセッ サ 'アレイと出力回路を配置し、第 2半導体回路層にデータラッチとマスキング回路を 配置し、第 3半導体回路層に増幅器とアナログ ·デジタル変換器を配置し、第 4半導 体回路層にイメージセンサ ·アレイを配置して 、る。イメージセンサ ·アレイの最上面 は、マイクロレンズ ·アレイを含む石英ガラス層で覆われており、マイクロレンズ'アレイ はその石英ガラス層の表面に形成されて 、る。イメージセンサ 'アレイ中の各イメージ センサには、半導体受光素子としてフォトダイオードが形成されている。 4層構造を構 成する各半導体回路層の間は、接着剤を用いて機械的に接続されていると共に、導 電性プラグを用いた埋込配線とそれら埋込配線に接触せしめられたマイクロバンプ 電極とを用いて電気的に接続されて ヽる。 [0020] This image sensor chip has a four-layer structure in which a processor array and an output circuit are arranged in the first semiconductor circuit layer, and a data latch and a masking circuit are arranged in the second semiconductor circuit layer. An amplifier and an analog / digital converter are arranged in the third semiconductor circuit layer, and an image sensor array is arranged in the fourth semiconductor circuit layer. The uppermost surface of the image sensor array is covered with a quartz glass layer including the microlens array, and the microlens array is formed on the surface of the quartz glass layer. Image sensor A photodiode is formed as a semiconductor light receiving element in each image sensor in the array. The semiconductor circuit layers that constitute the four-layer structure are mechanically connected using an adhesive, and embedded wiring using conductive plugs and the micro-contacts that are in contact with the embedded wiring. It is electrically connected using bump electrodes.
[0021] また、李らは、 2000年 4月に発行された「日本応用物理学会誌」において、「高度 並列画像処理チップ用の三次元集積技術の開発」とのタイトルで、栗野らの提案した 上記固体イメージセンサと同様のイメージセンサを含む画像処理チップを提案してい る (非特許文献 2参照)。  [0021] In addition, Lee et al. In the “Journal of the Japan Society of Applied Physics” published in April 2000 titled “Development of 3D integration technology for highly parallel image processing chips” proposed by Kurino et al. An image processing chip including an image sensor similar to the above solid-state image sensor has been proposed (see Non-Patent Document 2).
[0022] 李らの画像処理チップは、栗野らが上記論文で提案した固体イメージセンサとほぼ 同じ構造を持っている。  [0022] The image processing chip of Lee et al. Has almost the same structure as the solid-state image sensor proposed by Kurino et al.
[0023] 非特許文献 1及び 2に開示された従来のイメージセンサ ·チップと画像処理チップ は、いずれも、所望の半導体回路を内蔵した複数の半導体ウェハー(以下、単にゥェ ハーともいう)を積層して互いに固着させた後、得られたウェハー積層体を切断 (ダイ シング)して複数のチップ群に分割することにより製造される。すなわち、内部に半導 体回路を形成した半導体ウェハーをウェハーレベルで積層'一体ィ匕することにより三 次元積層構造を形成し、それを分割してイメージセンサ ·チップまたは画像処理チッ プを得ているのである。  [0023] Both the conventional image sensor chip and the image processing chip disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 each include a plurality of semiconductor wafers (hereinafter also simply referred to as wafers) incorporating desired semiconductor circuits. After being stacked and fixed to each other, the obtained wafer stack is cut (diced) and divided into a plurality of chip groups. That is, a semiconductor wafer having a semiconductor circuit formed therein is laminated at the wafer level to form a three-dimensional laminated structure, which is divided to obtain an image sensor chip or an image processing chip. It is.
[0024] なお、これら従来のイメージセンサ ·チップと画像処理チップでは、当該チップの内 部の積層された複数の半導体回路のそれぞれが「半導体回路層」を構成する。 非特許文献 1:栗野ら、「三次元構造を持つインテリジェント 'イメージセンサ'チップ」 、 1999年アイ'ィ一.ディ一.ェム テク-カル 'ダイジェスト p. 36. 4. 1〜36. 4. 4 ( H. Kunno et al., Intelligent Image Sensor Cnip with Three Dimensional Structure ,1999 IEDM Technical Digest, pp. 36.4.1 - 36.4.4, 1999)  In these conventional image sensor chip and image processing chip, each of a plurality of stacked semiconductor circuits inside the chip constitutes a “semiconductor circuit layer”. Non-Patent Document 1: Kurino et al., “Intelligent 'Image Sensor' Chip with Three-dimensional Structure”, 1999 I'D. 1 D. 1-Tech. 'Digest' p. 36. 4.1 1-3 4 4 (H. Kunno et al., Intelligent Image Sensor Cnip with Three Dimensional Structure, 1999 IEDM Technical Digest, pp. 36.4.1-36.4.4, 1999)
非特許文献 2 :李ら、「高度並列画像処理チップ用の三次元集積技術の開発」、「日 本応用物理学会誌」第 39卷、 p. 2473~2477,第 1部 4B、 2000年 4月、 (K. Lee e t al" Development of fhree— Dimensional Integration Technology ror Highly Paralle 1 Image-Processing Chip", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39, pp. 2474 - 2477, April 2000 ) Non-Patent Document 2: Lee et al., “Development of three-dimensional integration technology for highly parallel image processing chips”, “Japan Journal of the Japan Society of Applied Physics, Vol. 39, p. 2473-2477, Part 1 4B, April 2000, (K. Lee et al "Development of fhree—Dimensional Integration Technology ror Highly Paralle 1 Image-Processing Chip", (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39, pp. 2474-2477, April 2000)
特許文献 1 :特開 2004— 266597号公報 (図 1—図 2、図 8、図 12、図 15) 発明の開示  Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-266597 (FIG. 1—FIG. 2, FIG. 8, FIG. 12, FIG. 15) Disclosure of Invention
発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention
[0025] 上述したように、従来の一般的な CMOS (アドレス指定型)イメージセンサでは、全 画素についての信号電荷の同時蓄積 (換言すれば同時シャツタ化)ができない、画 素の開口率が低い、という二つの問題がある。  [0025] As described above, the conventional general CMOS (addressing type) image sensor cannot simultaneously store signal charges for all the pixels (in other words, simultaneous shirting), and has a low pixel aperture ratio. There are two problems.
[0026] 特許文献 1に開示された従来の CMOSイメージセンサでは、全画素についての同 時シャツタ化は可能である。しかし、各画素内に、受光素子の他に、当該受光素子で 発生した信号電荷を次段へ転送する第 1転送手段と、当該第 1転送手段の出力を一 時記憶する記憶部と、前記受光素子および前記記憶部の電荷の初期化を行う初期 化手段と、前記記憶部に接続された第 2転送手段とを設けることが必要であるから、 3 トランジスタ型の CMOSイメージセンサに記憶部を追加した構成である。したがって、 この CMOSイメージセンサでは、画素の開口率が低い、という問題は残っている。  [0026] In the conventional CMOS image sensor disclosed in Patent Document 1, all pixels can be simultaneously shirted. However, in each pixel, in addition to the light receiving element, a first transfer means for transferring the signal charge generated in the light receiving element to the next stage, a storage unit for temporarily storing the output of the first transfer means, Since it is necessary to provide an initialization means for initializing the charge of the light receiving element and the storage section and a second transfer means connected to the storage section, the storage section is provided in the 3-transistor type CMOS image sensor. This is an added configuration. Therefore, this CMOS image sensor still has the problem that the pixel aperture ratio is low.
[0027] 非特許文献 1及び 2にそれぞれ開示されたイメージセンサ ·チップと画像処理チップ では、半導体ゥエーハあるいは半導体チップを積層 ·固着することにより三次元積層 構造が実現できることについて開示されているだけであり、従来の CMOS (アドレス 指定型)イメージセンサの持つ上記二つの問題にっ 、ては言及されて ヽな 、。  [0027] The image sensor chip and the image processing chip disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 only disclose that a three-dimensional stacked structure can be realized by stacking and fixing semiconductor wafers or semiconductor chips. The above two problems of the conventional CMOS (addressable type) image sensor should be mentioned.
[0028] 本発明は、これらの点を考慮してなされたものであって、その目的とするところは、 全画素についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能であ ると共に、従来のアドレス指定型イメージセンサよりも高い画素開口率を実現できる、 センサ回路及びアドレス指定型イメージセンサを提供することにある。  [0028] The present invention has been made in consideration of these points, and the object of the present invention is to allow substantially simultaneous accumulation of signal charges (substantially simultaneous shirting) for all pixels. Another object of the present invention is to provide a sensor circuit and an addressable image sensor that can realize a higher pixel aperture ratio than a conventional addressable image sensor.
[0029] 本発明の他の目的は、従来のアドレス指定型イメージセンサにおいて見られる画像 の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができるセンサ回路 及びアドレス指定型イメージセンサを提供することにある。 [0030] 本発明のさらに他の目的は、撮像領域の総面積に対する受光領域の総面積の割 合が高いアドレス指定型イメージセンサを提供することにある。 [0029] Another object of the present invention is to provide a sensor circuit and an addressable image sensor that can image a subject moving at high speed without causing image distortion seen in a conventional addressable image sensor. There is. Still another object of the present invention is to provide an addressing type image sensor in which the ratio of the total area of the light receiving region to the total area of the imaging region is high.
[0031] ここに明記しない本発明の他の目的は、以下の説明及び添付図面から明らかにな るであろう。  [0031] Other objects of the present invention which are not specified here will become apparent from the following description and the accompanying drawings.
課題を解決するための手段  Means for solving the problem
[0032] (1) 本発明の第 1の観点によるセンサ回路は、 [0032] (1) A sensor circuit according to a first aspect of the present invention comprises:
マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択するアドレス指定型イメージセンサに使用されるセンサ回路であつ て、  A sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、 前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック内の複 数の前記画素をリセットするためのリセットトランジスタと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in parallel to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the pixel blocks. A reset transistor for resetting;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とを含んでいることを特徴とするも のである。  An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. It is characterized by being.
[0033] (2) 本発明の第 1の観点によるセンサ回路は、複数の画素を所定数 (例えば n個、 nは 2以上の整数)毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素ブロックを 有している。それら画素ブロックの各々では、前記画素の各々は、照射された光に応 じて信号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの 前記共通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とを含んでいる。そして、前 記画素ブロックの各々の共通ノードに、リセットトランジスタと増幅トランジスタとが接続 されているため、前記画素ブロックの各々で前記リセットトランジスタと前記増幅トラン ジスタとを共用することができる。これは、前記画素の内部には、リセットトランジスタと 増幅トランジスタが設けられて 、な 、ことを意味するものである。 [0034] このセンサ回路では、次のようにして信号電荷の生成 ·蓄積力も信号の出力までの 動作を行う。 [0033] (2) A sensor circuit according to a first aspect of the present invention includes a plurality of pixels configured by connecting a plurality of pixels in parallel to a common node every predetermined number (for example, n, n is an integer of 2 or more). Has a pixel block. In each of the pixel blocks, each of the pixels is provided in a path between the photoelectric conversion element that generates a signal charge in response to irradiated light and the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. First gate element formed. Since the reset transistor and the amplification transistor are connected to the common node of each pixel block, the reset transistor and the amplification transistor can be shared by each pixel block. This means that a reset transistor and an amplification transistor are provided inside the pixel. [0034] In this sensor circuit, the signal charge generation / accumulation ability is operated up to the signal output as follows.
[0035] まず、前記画素ブロックの各々に対して設けられた前記リセットトランジスタを用いて 、前記画素のすべてについて一括してリセット(初期化)を行い(グローバルリセット)、 前記画素ブロックのすべてについて前記共通ノードを所定のリセット電圧に設定する 。この時、前記光電変換素子に対して設けられた前記第 1ゲート素子はすべて導通 状態とされる。  First, using the reset transistor provided for each of the pixel blocks, all of the pixels are collectively reset (initialized) (global reset), and all of the pixel blocks are Set the common node to a predetermined reset voltage. At this time, all the first gate elements provided for the photoelectric conversion elements are in a conductive state.
[0036] 次に、前記第 1ゲート素子を遮断状態としてから、前記画素 (光電変換素子)のす ベてに光を照射させ、それら画素に一括して信号電荷を生成 ·蓄積させる。  Next, after the first gate element is turned off, all of the pixels (photoelectric conversion elements) are irradiated with light, and signal charges are generated and accumulated collectively in the pixels.
[0037] その後、前記画素ブロックの各々において、前記第 1ゲート素子を時系列的に順に 導通状態にすることにより、当該画素ブロック中の前記画素に蓄積された信号電荷に 対応する信号を、対応する前記共通ノードまで時系列的に順に読み出す。この動作 は、複数の前記ブロックにおいて並行して行われる。この時、当該画素ブロック中の 前記画素の一つより信号を読み出して力 前記画素の他の一つより信号を読み出す までの間に、前記リセットトランジスタを用いて前記共通ノードをリセットする必要があ る。これは、前記共通ノードをリセットしないと、先に読み出された信号の影響が残つ て後の信号が変動する恐れがあるからである。  [0037] After that, in each of the pixel blocks, the signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixels in the pixel block is handled by sequentially turning on the first gate element in time series. To the common node to read in time series. This operation is performed in parallel in a plurality of the blocks. At this time, it is necessary to reset the common node using the reset transistor until the signal is read from one of the pixels in the pixel block and the signal is read from the other one of the pixels. The This is because if the common node is not reset, the influence of the signal read out first remains and the subsequent signal may fluctuate.
[0038] 前記画素ブロックの各々でこうして読み出された信号は、対応する前記増幅トラン ジスタによって順にあるいは並行して増幅され、その出力端から出力される。すなわ ち、当該増幅トランジスタの出力端が一つの場合は、当該画素ブロック中の複数の前 記画素から順に送出された信号は、当該増幅トランジスタで増幅された後、その出力 端子から時系列的に順に出力される。他方、当該増幅トランジスタの出力端子の総 数が当該画素ブロック中の前記画素の総数に等しい場合は、当該増幅トランジスタ の複数の出力端子から並列的に出力される。  [0038] The signals read out in each of the pixel blocks are amplified in order or in parallel by the corresponding amplification transistors, and are output from the output terminals. In other words, when there is one output terminal of the amplification transistor, the signals sent in order from the plurality of pixels in the pixel block are amplified by the amplification transistor and then time-series from the output terminal. Are output in order. On the other hand, when the total number of output terminals of the amplification transistor is equal to the total number of the pixels in the pixel block, the signals are output in parallel from the plurality of output terminals of the amplification transistor.
[0039] 現在の現実的な最高シャツタスピード (つまり最短の信号電荷蓄積期間)は(1Z80 00)秒( = 125 sec)であるから、前記リセットトランジスタによる前記共通ノードのリ セット動作を必要回数 (例えば (n— 1)回)実行するのに要する時間(総リセット時間) と、前記画素ブロックの各々で前記画素の信号電荷を対応する前記増幅トランジスタ で増幅するのに要する時間 (総増幅時間)との和が、最短の信号電荷蓄積期間(= 1 25 sec)よりも十分小さくなるように n値を設定すれば、前記画素のすべてについて の信号電荷の蓄積 (露光)が実質的に同時に行われることになる。換言すれば、この センサ回路を使用することにより、前記画素のすべてについての信号電荷の実質的 に同時蓄積 (実質的に同時シャツタ化)が可能となる。 [0039] Since the current realistic maximum shatter speed (that is, the shortest signal charge accumulation period) is (1Z800 00) seconds (= 125 sec), the reset operation of the common node by the reset transistor is required as many times as necessary. (E.g., (n-1) times) the time required for execution (total reset time) and the amplification transistor corresponding to the signal charge of the pixel in each of the pixel blocks If the n value is set so that the sum of the time required for amplification (total amplification time) is sufficiently smaller than the shortest signal charge accumulation period (= 125 sec), the signal for all of the pixels Charge accumulation (exposure) is performed substantially simultaneously. In other words, by using this sensor circuit, it is possible to store signal charges for all of the pixels substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting).
[0040] また、このようにして同時シャツタ化が可能となることにより、従来のアドレス指定型ィ メージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像す ることがでさるよう〖こなる。  [0040] In addition, by enabling simultaneous shirting in this manner, it is possible to capture a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional addressing type image sensor. Become.
[0041] さらに、本発明の第 1の観点によるセンサ回路では、前記画素ブロックの各々に対 して、当該ブロックの外側に前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタが設けら れているため、前記画素は一つの光電変換素子と一つの第 1ゲート素子 (通常は M OSトランジスタ)を含むだけで済む。したがって、このセンサ回路を使用すれば、画 素中に光電変換素子に加えて三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来のアド レス指定型イメージセンサに比べて、高い画素開口率を実現することができる。  [0041] Further, in the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, the reset transistor and the amplification transistor are provided outside the block for each of the pixel blocks. It only needs to include one photoelectric conversion element and one first gate element (usually a MOS transistor). Therefore, if this sensor circuit is used, a higher pixel aperture ratio can be achieved compared to a conventional address-designated image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to the photoelectric conversion element in the pixel. it can.
[0042] (3) 本発明の第 1の観点によるセンサ回路の好ましい例では、前記増幅トランジス タが、単一の出力端を有する。この場合、前記増幅トランジスタの出力端に接続され る次段の配線が簡単になると 、う利点がある。  (3) In a preferred example of the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, the amplification transistor has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the wiring of the next stage connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
[0043] この例では、前記増幅トランジスタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該 容量素子に記憶された信号の出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えるの が好ましい。この場合、前記出力トランジスタを使用することによって、前記容量素子 に記憶された信号を前記第 1ゲート素子の開閉とは異なるタイミングで出力することが できるという利点がある。  In this example, it is preferable that a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output transistor for controlling the output of a signal stored in the capacitive element are further provided. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0044] 本発明の第 1の観点によるセンサ回路の他の好ましい例では、前記増幅トランジス タが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前記画素の総数に等し い数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2ゲート素子が接続され る。この場合、前記第 2ゲート素子の各々を対応する前記第 1ゲート素子と同期して 開閉することにより、前記画素ブロック中の複数の前記画素からの信号を複数の前記 出力端より並列的に出力することができる。その結果、次段の信号処理が迅速に行 えるという利点がある。 In another preferable example of the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, the amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor. And a second gate element is connected to each of the output terminals. In this case, by opening and closing each of the second gate elements in synchronization with the corresponding first gate element, signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do. As a result, the next-stage signal processing is performed quickly. There is an advantage that
[0045] この例では、前記増幅トランジスタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複 数の記憶用容量素子と、これら容量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の 出力トランジスタとを、さらに備えるのが好ましい。この場合、複数の前記出カトランジ スタを使用することによって、複数の前記容量素子に記憶された信号を前記第 1ゲー ト素子の開閉とは異なるタイミングで出力することができるという利点がある。  [0045] In this example, a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in the capacitive elements, It is preferable to further provide. In this case, by using a plurality of the output transistors, there is an advantage that the signals stored in the plurality of capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0046] 本発明の第 1の観点によるセンサ回路のさらに他の好ましい例では、前記画素のす ベてに一括して信号電荷を生成 '蓄積させる前に、前記リセットトランジスタのすべて を用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記画素ブロックの 各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、対応する前記 共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅トランジスタに送 られる。この場合、実質的な同時シャツタ化が容易に実現できるという利点がある。  [0046] In still another preferred example of the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, all of the reset transistors are used before the signal charges are generated and accumulated all at once in the pixels. All of the pixels are collectively reset, and in each of the pixel blocks, signals corresponding to the signal charges accumulated in the pixels are read out in time series via the corresponding common nodes. It is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an advantage that substantial simultaneous shirting can be easily realized.
[0047] (4) 本発明の第 2の観点によるセンサ回路は、  [0047] (4) A sensor circuit according to a second aspect of the present invention provides:
マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択するアドレス指定型イメージセンサに使用されるセンサ回路であつ て、  A sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、 複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子と、当該光電変換素子と前記第 1 ゲート素子との接続点に接続された、当該画素をリセットするためのリセットトランジス タとを含んで ヽることを特徴とするものである。  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks In each of the pixel blocks, each of the pixels includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to irradiated light, and the photoelectric conversion element. A reset for resetting the pixel connected to a connection point between the photoelectric conversion element and the first gate element, and a first gate element provided in a path between the pixel block and the common node. It is characterized by including a transistor.
[0048] (5) 本発明の第 2の観点によるセンサ回路は、複数の画素を所定数 (例えば n個、 nは 2以上の整数)毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素ブロックを 有している。それら画素ブロックの各々では、前記画素の各々は、照射された光に応 じて信号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの 前記共通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とに加えて、当該光電変換 素子と前記第 1ゲート素子との接続点に接続された、当該画素をリセットするためのリ セットトランジスタとを含んでいる。そして、前記画素ブロックの各々の共通ノードに増 幅トランジスタが接続されている。このため、前記画素ブロックの各々で前記増幅トラ ンジスタとを共用することができる。これは、前記画素の内部には、増幅トランジスタが 設けられて ヽな 、ことを意味するものである。 [0048] (5) A sensor circuit according to a second aspect of the present invention includes a plurality of pixels configured by connecting a plurality of pixels in parallel to a common node every predetermined number (for example, n, n is an integer of 2 or more). Has a pixel block. In each of these pixel blocks, each of the pixels responds to irradiated light. In addition to the photoelectric conversion element that generates signal charges and the first gate element provided in the path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block, the photoelectric conversion element and the first And a reset transistor connected to a connection point with the gate element for resetting the pixel. An amplifier transistor is connected to each common node of the pixel block. Therefore, each of the pixel blocks can share the amplification transistor. This means that an amplification transistor is provided inside the pixel.
[0049] このように、本発明の第 2の観点によるセンサ回路では、リセットトランジスタに関す る構成が本発明の第 1の観点によるセンサ回路とは異なっている。すなわち、本発明 の第 1の観点によるセンサ回路では、前記リセットトランジスタ力 前記画素ブロックの 各々に対して設けられている(つまり、前記リセットトランジスタが各画素ブロックの外 部に設けられている)のに対し、本発明の第 2の観点によるセンサ回路では、前記リ セットトランジスタ力 前記画素ブロックの各々に属する複数の前記画素の一つ一つ に対して設けられている(つまり、前記リセットトランジスタが前記画素の各々に対して 設けられている)。このため、次のようにして信号電荷の生成 ·蓄積力 信号の出力ま での動作を行う。  Thus, in the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, the configuration relating to the reset transistor is different from the sensor circuit according to the first aspect of the present invention. That is, in the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, the reset transistor power is provided for each of the pixel blocks (that is, the reset transistor is provided outside each pixel block). In contrast, in the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, the reset transistor power is provided for each of the plurality of pixels belonging to each of the pixel blocks (that is, the reset transistor is provided). Provided for each of the pixels). For this reason, the operation up to the signal charge generation / accumulation signal output is performed as follows.
[0050] まず、前記画素の各々に対して設けられた前記リセットトランジスタを用いて、前記 画素のすべてにっ 、て一括してリセット(初期化)を行 、(グローバルリセット)、前記 画素ブロックのすべてについて前記共通ノードを所定のリセット電圧に設定する。こ の時、前記光電変換素子に対して設けられた前記第 1ゲート素子はすべて導通状態 とされる。  [0050] First, using the reset transistor provided for each of the pixels, all the pixels are collectively reset (initialized), and (global reset) is performed. For all, the common node is set to a predetermined reset voltage. At this time, all the first gate elements provided for the photoelectric conversion elements are in a conductive state.
[0051] 次に、前記第 1ゲート素子を遮断状態としたままで、前記第 1ゲート素子を遮断状態 としてから、前記画素 (光電変換素子)のすべてに光を照射させ、それら画素に一括 して信号電荷を生成 ·蓄積させる。  [0051] Next, with the first gate element kept in a cut-off state, the first gate element is put in a cut-off state, and then all of the pixels (photoelectric conversion elements) are irradiated with light, and the pixels are collectively collected. To generate and store signal charges.
[0052] その後、前記画素ブロックの各々において、前記第 1ゲート素子を時系列的に順に 導通状態にすることにより、当該画素ブロック中の前記画素に蓄積された信号電荷に 対応する信号を、対応する前記共通ノードまで時系列的に順に読み出す。この動作 は、複数の前記ブロックにおいて並行して行われる。この時、当該画素ブロック中の 前記画素の一つより信号を読み出して力 前記画素の他の一つより信号を読み出す までの間に、前記第 1ゲート素子を一時的に導通状態にし、前記リセットトランジスタ を用いて前記共通ノードをリセットする必要がある。これは、前記共通ノードをリセット しないと、先に読み出された信号の影響が残って後の信号が変動する恐れがあるか らである。 [0052] After that, in each of the pixel blocks, the signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixels in the pixel block is handled by sequentially turning on the first gate element in time series. To the common node to read in time series. This operation is performed in parallel in a plurality of the blocks. At this time, in the pixel block Before the signal is read from one of the pixels and the signal is read from the other one of the pixels, the first gate element is temporarily turned on, and the common node is turned on using the reset transistor. Need to reset. This is because if the common node is not reset, the influence of the signal read out may remain and the subsequent signal may fluctuate.
[0053] 前記画素ブロックの各々でこうして読み出された信号は、対応する前記増幅トラン ジスタによって順にあるいは並行して増幅され、その出力端から出力される。すなわ ち、当該増幅トランジスタの出力端が一つの場合は、当該画素ブロック中の複数の前 記画素から順に送出された信号は、当該増幅トランジスタで増幅された後、その出力 端子から時系列的に順に出力される。他方、当該増幅トランジスタの出力端子の総 数が当該画素ブロック中の前記画素の総数に等しい場合は、当該増幅トランジスタ の複数の出力端子から並列的に出力される。この点は、本発明の第 1の観点による センサ回路と同じである。  [0053] The signal thus read out in each of the pixel blocks is amplified in order or in parallel by the corresponding amplification transistor, and is output from the output end thereof. In other words, when there is one output terminal of the amplification transistor, the signals sent in order from the plurality of pixels in the pixel block are amplified by the amplification transistor and then time-series from the output terminal. Are output in order. On the other hand, when the total number of output terminals of the amplification transistor is equal to the total number of the pixels in the pixel block, the signals are output in parallel from the plurality of output terminals of the amplification transistor. This is the same as the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
[0054] 現在の現実的な最高シャツタスピード (つまり最短の信号電荷蓄積期間)は(1Z80 00)秒( = 125 sec)であるから、前記リセットトランジスタによる前記共通ノードのリ セット動作を必要回数 (例えば (n— 1)回)実行するのに要する時間(総リセット時間) と、前記画素ブロックの各々で前記画素の信号電荷を対応する前記増幅トランジスタ で増幅するのに要する時間 (総増幅時間)との和が、最短の信号電荷蓄積期間(= 1 25 sec)よりも十分小さくなるように n値を設定すれば、前記画素のすべてについて の信号電荷の蓄積 (露光)が実質的に同時に行われることになる。換言すれば、この センサ回路を使用することにより、前記画素のすべてについての信号電荷の実質的 に同時蓄積 (実質的に同時シャツタ化)が可能となる。  [0054] Since the current realistic maximum shatter speed (that is, the shortest signal charge accumulation period) is (1Z800 00) seconds (= 125 sec), the reset operation of the common node by the reset transistor is required as many times as necessary. (E.g., (n-1) times) time required to execute (total reset time) and time required to amplify the signal charge of the pixel by the corresponding amplification transistor in each of the pixel blocks (total amplification time )), The signal charge accumulation (exposure) for all of the pixels is substantially simultaneously performed if the n value is set so that it is sufficiently smaller than the shortest signal charge accumulation period (= 1 25 sec). Will be done. In other words, by using this sensor circuit, it is possible to store signal charges for all of the pixels substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting).
[0055] また、このようにして同時シャツタ化が可能となることにより、従来のアドレス指定型ィ メージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像す ることがでさるよう〖こなる。  [0055] In addition, by enabling simultaneous shirting in this manner, it is possible to capture a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional addressing image sensor. Become.
[0056] さらに、本発明の第 2の観点によるセンサ回路では、前記画素ブロックの各々に対 して、当該ブロックの外側に前記増幅トランジスタが設けられているため、前記画素は 一つの光電変換素子と一つの第 1ゲート素子 (通常は MOSトランジスタ)と一つのリ セットトランジスタ(通常は MOSトランジスタ)を含むだけで済む。したがって、このセ ンサ回路を使用すれば、画素中に光電変換素子にカ卩えて三つないし四つの MOSト ランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比べて、高い画素開口率を 実現することができる。 [0056] Further, in the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, for each of the pixel blocks, since the amplification transistor is provided outside the block, the pixel includes one photoelectric conversion element. And one first gate element (usually a MOS transistor) and one It only needs to include a set transistor (usually a MOS transistor). Therefore, if this sensor circuit is used, a higher pixel aperture ratio can be realized compared to a conventional addressing type image sensor that includes three or four MOS transistors in a pixel. Can do.
[0057] (6) 本発明の第 2の観点によるセンサ回路の好ましい例では、前記増幅トランジス タが、単一の出力端を有する。この場合、前記増幅トランジスタの出力端に接続され る次段の配線が簡単になると 、う利点がある。  (6) In a preferred example of the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, the amplification transistor has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the wiring of the next stage connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
[0058] この例では、前記増幅トランジスタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該 容量素子に記憶された信号の出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えるの が好ましい。この場合、前記出力トランジスタを使用することによって、前記容量素子 に記憶された信号を前記第 1ゲート素子の開閉とは異なるタイミングで出力することが できるという利点がある。  In this example, it is preferable to further include a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output transistor for controlling the output of the signal stored in the capacitive element. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0059] 本発明の第 2の観点によるセンサ回路の他の好ましい例では、前記増幅トランジス タが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前記画素の総数に等し い数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2ゲート素子が接続され る。この場合、前記第 2ゲート素子の各々を対応する前記第 1ゲート素子と同期して 開閉することにより、前記画素ブロック中の複数の前記画素からの信号を複数の前記 出力端より並列的に出力することができる。その結果、次段の信号処理が迅速に行 えるという利点がある。  In another preferable example of the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, the amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor. And a second gate element is connected to each of the output terminals. In this case, by opening and closing each of the second gate elements in synchronization with the corresponding first gate element, signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do. As a result, there is an advantage that the next stage signal processing can be performed quickly.
[0060] この例では、前記増幅トランジスタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複 数の記憶用容量素子と、これら容量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の 出力トランジスタとを、さらに備えるのが好ましい。この場合、複数の前記出カトランジ スタを使用することによって、複数の前記容量素子に記憶された信号を前記第 1ゲー ト素子の開閉とは異なるタイミングで出力することができるという利点がある。  [0060] In this example, a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in the capacitive elements, It is preferable to further provide. In this case, by using a plurality of the output transistors, there is an advantage that the signals stored in the plurality of capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0061] 本発明の第 2の観点によるセンサ回路のさらに他の好ましい例では、前記画素のす ベてに一括して信号電荷を生成 '蓄積させる前に、前記リセットトランジスタのすべて を用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記画素ブロックの 各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、対応する前記 共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅トランジスタに送 られる。この場合、実質的な同時シャツタ化が容易に実現できるという利点がある。 [0061] In still another preferable example of the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, before the signal charges are generated and accumulated collectively in all of the pixels, the reset transistors are all used to generate and store the signal charges. All of the pixels are collectively reset, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel corresponds to the corresponding It is read out in time series through the common node and sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an advantage that substantial simultaneous shirting can be easily realized.
[0062] (7) 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサは、  (7) An addressing type image sensor according to a third aspect of the present invention provides:
マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択する、三次元積層構造を持つアドレス指定型イメージセンサであ つて、  An addressing type image sensor having a three-dimensional stacked structure, which has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in a predetermined number in parallel to a common node;
前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック内の複 数の前記画素をリセットするためのリセットトランジスタと、  A reset transistor connected to the common node of each of the pixel blocks for resetting a plurality of the pixels in the pixel block;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とを含んでおり、  An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. And
少なくとも前記光電変換素子は、前記三次元積層構造を構成する第 1半導体回路 層の中に形成され、前記第 1ゲート素子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジ スタは、前記三次元積層構造を構成する第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中 に形成されて ヽることを特徴とするものである。  At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. It is characterized by being formed in the second or third or subsequent semiconductor circuit layer.
[0063] (8) 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサは、上述した本発明 の第 1の観点によるセンサ回路を用い、少なくとも複数の前記光電変換素子を前記 三次元積層構造を構成する前記第 1半導体回路層の中に形成し、前記第 1ゲート素 子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタは、前記三次元積層構造を構成 する第 2あるいはそれ以降の半導体回路層の中に形成したものに相当する。 (8) An addressing type image sensor according to a third aspect of the present invention uses the sensor circuit according to the first aspect of the present invention described above, and includes at least a plurality of the photoelectric conversion elements in the three-dimensional stacked structure. The first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor are formed in the first semiconductor circuit layer to be configured, and the second gate circuit, the reset transistor, and the amplification transistor are in the second or subsequent semiconductor circuit layers that constitute the three-dimensional stacked structure. It corresponds to what was formed.
[0064] したがって、本発明の第 1の観点によるセンサ回路について説明したのと同じ理由 により、全画素についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可 能であると共に、従来のアドレス指定型イメージセンサよりも高い画素開口率を実現 することができる。また、従来のアドレス指定型イメージセンサにおける画像の歪みを 生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができる。 [0064] Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit according to the first aspect of the present invention, signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all the pixels. A pixel aperture ratio higher than that of the addressing type image sensor can be realized. In addition, image distortion in conventional addressing type image sensors It is possible to image a subject that moves at a high speed without occurring.
[0065] さらに、従来のアドレス指定型イメージセンサよりも高い画素開口率を実現できるこ とから、撮像領域の総面積に対する受光領域の総面積の割合を高くすることが可能 となる。  Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than that of a conventional addressing type image sensor can be realized, the ratio of the total area of the light receiving region to the total area of the imaging region can be increased.
[0066] (9) 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサの好ましい例では、 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子が前記第 1半導体 回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジスタと複数の前記リセットトランジス タが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記 第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複数の前記第 1ゲー ト素子が存在するが、各画素は前記光電変換素子に加えて前記第 1ゲート素子を構 成する一つのトランジスタを含むだけであるから、各画素が光電変換素子に加えて 4 トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比べて 、画素開口率が向上する。  (9) In a preferred example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, the plurality of first gate elements are included in the first semiconductor circuit layer. The plurality of amplification transistors and the plurality of reset transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, but each pixel includes the first gate in addition to the photoelectric conversion elements. Since only one transistor constituting the element is included, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressed image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
[0067] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサの他の好まし 、例では、 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子及び複数の前記リセ ットトランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジス タが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記 第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複数の前記第 1ゲー ト素子と複数の前記リセットトランジスタが存在するが、各画素は前記光電変換素子 に加えて前記第 1ゲート素子を構成する一つのトランジスタを含むだけであり、また、 前記リセットトランジスタの総数は画素総数の(lZn)で済む。従って、各画素が、光 電変換素子に加えて 4トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型 イメージセンサに比べて、画素開口率が向上する。  [0067] In another preferred embodiment of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, in the example, in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, the plurality of first gate elements and the plurality of reset transistors. Are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements and a plurality of reset transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements. In addition, only one transistor constituting the first gate element is included, and the total number of the reset transistors may be (lZn) of the total number of pixels. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
[0068] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタ力 当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の 前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2ゲート素子 (選択トランジスタ)が接続される。そして、複数の前記光電変換素子に カロえて、複数の前記第 1ゲート素子、複数の前記リセットトランジスタ及び複数の前記 増幅トランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記第 2ゲート素 子 (選択トランジスタ)が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される 。この場合、前記第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複 数の前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジス タが存在するが、各画素は前記光電変換素子に加えて前記第 1ゲート素子を構成す る一つのトランジスタを含むだけであり、また、前記リセットトランジスタと前記増幅トラ ンジスタの総数は、いずれも画素総数の(lZn)で済む。従って、各画素が、光電変 換素子に加えて 4トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型ィメー ジセンサに比べて、画素開口率が向上する。 [0068] In still another preferable example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, the number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor force is the amplification transistor force. And a second gate element (selection transistor) is connected to each of the output terminals. And a plurality of the photoelectric conversion elements, a plurality of the first gate elements, a plurality of the reset transistors and a plurality of the plurality of the photoelectric conversion elements. An amplification transistor is formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the second gate elements (selection transistors) are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements. The pixel only includes one transistor that constitutes the first gate element in addition to the photoelectric conversion element, and the total number of the reset transistor and the amplification transistor is (lZn) of the total number of pixels. That's it. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with the conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
[0069] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、複数の前記光電変換素子のみが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数 の前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジスタ が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記第 1 半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子だけが形成されるから、各画素 はまったくトランジスタを含まないことになる。よって、各画素が、光電変換素子に加え て 4トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比 ベて、画素開口率が向上する。特に、画素開口率の向上が最大となる。  [0069] In still another preferable example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of the first image sensors are formed. A gate element, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, since only the plurality of photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, each pixel does not include any transistor. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. In particular, the improvement in pixel aperture ratio is maximized.
[0070] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタの各々が、単一の出力端を有する。この場合、前記増幅トラ ンジスタの出力端に接続される次段の配線が簡単になるという利点がある。  [0070] In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, each of the amplification transistors has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the next-stage wiring connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
[0071] この例では、前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジ スタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に記憶された信号の 出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えるのが好ましい。この場合、前記出 カトランジスタを使用することによって、前記容量素子に記憶された信号を前記第 1 ゲート素子の開閉とは異なるタイミングで出力することができるという利点がある。  [0071] In this example, a storage capacitor element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output of a signal stored in the capacitor element are provided in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include an output transistor to be controlled. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0072] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタの各々が、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロッ ク中の前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各 々に第 2ゲート素子が接続される。この場合、前記第 2ゲート素子の各々を対応する 前記第 1ゲート素子と同期して開閉することにより、前記画素ブロック中の複数の前記 画素からの信号を複数の前記出力端より並列的に出力することができる。その結果、 次段の信号処理が迅速に行えるという利点がある。 [0072] In still another preferable example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, each of the amplification transistors is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor. A number of outputs and each of these outputs Second gate elements are connected to each other. In this case, by opening and closing each of the second gate elements in synchronization with the corresponding first gate element, signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do. As a result, there is an advantage that the next signal processing can be performed quickly.
[0073] この例では、前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジ スタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容量素子と、これら容 量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の出力トランジスタとを、さらに備え るのが好ましい。この場合、複数の前記出力トランジスタを使用することによって、複 数の前記容量素子に記憶された信号を前記第 1ゲート素子の開閉とは異なるタイミン グで出力することができるという利点がある。  [0073] In this example, a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, and the capacitance elements It is preferable to further include a plurality of output transistors for controlling the output of the stored signal. In this case, by using a plurality of the output transistors, there is an advantage that signals stored in a plurality of the capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0074] 本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成'蓄積させる前に、前記リセットトラ ンジスタのすベてを用いて前記画素のすべてにっ 、て一括してリセットが行われ、前 記画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が 、対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されてから対応する前記増幅 トランジスタに送られる。この場合、実質的な同時シャツタ化が容易に実現できるとい ぅ禾 IJ点がある。  [0074] In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, all of the reset transistors are set before generating and accumulating signal charges in all of the pixels. All of the pixels are collectively reset using a signal, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is passed through the corresponding common node. After being read out in time series, it is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an IJ point that a substantial simultaneous shirting can be realized easily.
[0075] (10) 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサは、  (10) An addressing type image sensor according to a fourth aspect of the present invention is:
マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択する、三次元積層構造を持つアドレス指定型イメージセンサであ つて、  An addressing type image sensor having a three-dimensional stacked structure, which has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in a predetermined number in parallel to a common node;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子と、当該光電変換素子と前記第 1 ゲート素子との接続点に接続された、当該画素をリセットするためのリセットトランジス タとを含んでおり、 An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block, and the photoelectric conversion element. The conversion element and the first A reset transistor connected to a connection point with the gate element for resetting the pixel,
少なくとも前記光電変換素子は、前記三次元積層構造を構成する第 1半導体回路 層の中に形成され、前記第 1ゲート素子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジ スタは、前記三次元積層構造を構成する第 2あるいはそれ以降の半導体回路層の中 に形成されて ヽることを特徴とするものである。  At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. It is characterized by being formed in the second or subsequent semiconductor circuit layer.
[0076] (11) 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサは、上述した本発 明の第 2の観点によるセンサ回路を用い、少なくとも複数の前記光電変換素子を前 記三次元積層構造を構成する前記第 1半導体回路層の中に形成し、前記第 1ゲート 素子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタは、前記三次元積層構造を構 成する第 2あるいはそれ以降の半導体回路層の中に形成したものに相当する。  (11) An addressing type image sensor according to a fourth aspect of the present invention uses the sensor circuit according to the second aspect of the present invention described above, and includes at least a plurality of the photoelectric conversion elements described above in the three-dimensional stack. The first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor are formed in the first semiconductor circuit layer constituting the structure, and the second and subsequent semiconductor circuit layers constituting the three-dimensional stacked structure are formed. It corresponds to what was formed inside.
[0077] したがって、本発明の第 2の観点によるセンサ回路について説明したのと同じ理由 により、全画素についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可 能であると共に、従来のアドレス指定型イメージセンサよりも高い画素開口率を実現 することができる。また、従来のアドレス指定型イメージセンサにおける画像の歪みを 生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができる。  [0077] Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit according to the second aspect of the present invention, signal charges can be accumulated substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting) for all the pixels, A pixel aperture ratio higher than that of the addressing type image sensor can be realized. In addition, it is possible to image a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional addressing type image sensor.
[0078] さらに、従来のアドレス指定型イメージセンサよりも高い高い画素開口率を実現でき ることから、撮像領域の総面積に対する受光領域の総面積の割合を高くすることが可 能となる。  Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than that of the conventional addressing type image sensor can be realized, it is possible to increase the ratio of the total area of the light receiving region to the total area of the imaging region.
[0079] (12) 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサの好ましい例は、 上述した本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサのそれと同様であ る。これは、本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサでは、リセットト ランジスタが前記ブロックの各々に対して設けられている(つまり、リセットトランジスタ が各ブロックの外部に設けられて 、る)のに対し、本発明の第 4の観点によるアドレス 指定型イメージセンサでは、リセットトランジスタが前記ブロックの各々に属する複数 の前記光電変換素子の各々に対して設けられている点で、両者は異なるだけだから である。  [0079] (12) A preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention is the same as that of the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention described above. This is because in the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention, a reset transistor is provided for each of the blocks (that is, a reset transistor is provided outside each block). On the other hand, in the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, the reset transistor is provided for each of the plurality of photoelectric conversion elements belonging to each of the blocks, and therefore both are different. It is.
[0080] すなわち、本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサの好ましい例で は、複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子が前記第 1半導 体回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジスタと複数の前記リセットトランジ スタが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記 第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複数の前記第 1ゲー ト素子が存在するが、各画素は前記光電変換素子に加えて前記第 1ゲート素子を構 成する一つのトランジスタを含むだけであるから、各画素が光電変換素子に加えて 4 トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比べて 、画素開口率が向上する。 That is, in a preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention. In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of first gate elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors and a plurality of reset transistors are provided in the second semiconductor circuit layer. Alternatively, it is formed in the third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, but each pixel includes the first gate in addition to the photoelectric conversion elements. Since only one transistor constituting the element is included, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressed image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
[0081] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサの他の好ましい例では、 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子及び複数の前記リセ ットトランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジス タが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記 第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複数の前記第 1ゲー ト素子と複数の前記リセットトランジスタが存在するが、各画素は前記光電変換素子 に加えて前記第 1ゲート素子を構成するトランジスタと前記リセットトランジスタの二つ を含むだけであるから、各画素が光電変換素子に加えて 4トランジスタまたは 3トラン ジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比べて、画素開口率が向上する In another preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, in addition to the plurality of photoelectric conversion elements, the plurality of first gate elements and the plurality of reset transistors are A plurality of amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements and a plurality of reset transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements. In addition, since it only includes two transistors, that is, the transistor constituting the first gate element and the reset transistor, each pixel has a conventional addressing type image sensor including four transistors or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. Compared with pixel aperture ratio
[0082] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタ力 当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の 前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2ゲート素子 (選択トランジスタ)が接続される。そして、複数の前記光電変換素子に カロえて、複数の前記第 1ゲート素子、複数の前記リセットトランジスタ及び複数の前記 増幅トランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記第 2ゲート素 子 (選択トランジスタ)が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される 。この場合、前記第 1半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子の他に複 数の前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジス タが存在するが、各画素は前記光電変換素子に加えて前記第 1ゲート素子を構成す るトランジスタと前記リセットトランジスタの二つだけであり、また、前記増幅トランジスタ の総数は画素総数の(lZn)で済む。従って、各画素が、光電変換素子にカ卩えて 4ト ランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比べて、 画素開口率が向上する。 [0082] In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, the amplification transistor force is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor. And a second gate element (selection transistor) is connected to each of the output terminals. A plurality of the first gate elements, a plurality of the reset transistors, and a plurality of the amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of the second gates are arranged on the plurality of the photoelectric conversion elements. An element (selection transistor) is formed in the second or third or subsequent semiconductor circuit layers. In this case, the first semiconductor circuit layer includes a plurality of the first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors in addition to the plurality of photoelectric conversion elements. A pixel constitutes the first gate element in addition to the photoelectric conversion element. There are only two transistors, the reset transistor and the reset transistor, and the total number of the amplification transistors may be (lZn) of the total number of pixels. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four transistors or three transistors in addition to the photoelectric conversion element.
[0083] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、複数の前記光電変換素子のみが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数 の前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジスタ が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成される。この場合、前記第 1 半導体回路層の中には、複数の前記光電変換素子だけが形成されるから、各画素 はまったくトランジスタを含まないことになる。よって、各画素が、光電変換素子に加え て 4トランジスタまたは 3トランジスタを含む従来のアドレス指定型イメージセンサに比 ベて、画素開口率が向上する。特に、画素開口率の向上が最大となる。  In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the first image sensors are formed. A gate element, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. In this case, since only the plurality of photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, each pixel does not include any transistor. Therefore, the pixel aperture ratio is improved as compared with a conventional addressing type image sensor in which each pixel includes four or three transistors in addition to the photoelectric conversion element. In particular, the improvement in pixel aperture ratio is maximized.
[0084] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタの各々が、単一の出力端を有する。この場合、前記増幅トラ ンジスタの出力端に接続される次段の配線が簡単になるという利点がある。  [0084] In still another preferred example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, each of the amplification transistors has a single output terminal. In this case, there is an advantage that the next-stage wiring connected to the output terminal of the amplification transistor is simplified.
[0085] この例では、前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジ スタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に記憶された信号の 出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えるのが好ましい。この場合、前記出 カトランジスタを使用することによって、前記容量素子に記憶された信号を前記第 1 ゲート素子の開閉とは異なるタイミングで出力することができるという利点がある。  In this example, a storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor and an output of a signal stored in the capacitive element are provided in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include an output transistor to be controlled. In this case, by using the output transistor, there is an advantage that the signal stored in the capacitive element can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0086] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記増幅トランジスタの各々が、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロッ ク中の前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各 々に第 2ゲート素子が接続される。この場合、前記第 2ゲート素子の各々を対応する 前記第 1ゲート素子と同期して開閉することにより、前記画素ブロック中の複数の前記 画素からの信号を複数の前記出力端より並列的に出力することができる。その結果、 次段の信号処理が迅速に行えるという利点がある。  [0086] In still another preferable example of the addressing-type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, each of the amplification transistors is equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor. The second gate element is connected to each of the output terminals. In this case, by opening and closing each of the second gate elements in synchronization with the corresponding first gate element, signals from the plurality of pixels in the pixel block are output in parallel from the plurality of output terminals. can do. As a result, there is an advantage that the next signal processing can be performed quickly.
[0087] この例では、前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジ スタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容量素子と、これら容 量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の出力トランジスタとを、さらに備え るのが好ましい。この場合、複数の前記出力トランジスタを使用することによって、複 数の前記容量素子に記憶された信号を前記第 1ゲート素子の開閉とは異なるタイミン グで出力することができるという利点がある。 [0087] In this example, the amplification transistor is included in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers. It is preferable to further include a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output terminals of the star, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in these capacitive elements. In this case, by using a plurality of the output transistors, there is an advantage that signals stored in a plurality of the capacitive elements can be output at a timing different from the opening / closing of the first gate element.
[0088] 本発明の第 4の観点によるアドレス指定型イメージセンサのさらに他の好ましい例で は、前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成'蓄積させる前に、前記リセットトラ ンジスタのすベてを用いて前記画素のすべてにっ 、て一括してリセットが行われ、前 記画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が 、対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されてから対応する前記増幅 トランジスタに送られる。この場合、実質的な同時シャツタ化が容易に実現できるとい ぅ禾 IJ点がある。  [0088] In still another preferable example of the addressing type image sensor according to the fourth aspect of the present invention, all the reset transistors must be connected before generating and accumulating signal charges all over the pixels. All of the pixels are collectively reset using a signal, and in each of the pixel blocks, a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is passed through the corresponding common node. After being read out in time series, it is sent to the corresponding amplification transistor. In this case, there is an IJ point that a substantial simultaneous shirting can be realized easily.
[0089] (13) 本発明の第 1及び第 2の観点によるセンサ回路と、本発明の第 3及び第 4の 観点によるアドレス指定型イメージセンサにおいて、「光電変換素子」とは、照射され た光に応じて電荷を生成する素子を意味する。「光電変換素子」としては、半導体素 子であるフォトダイオードが好適に使用できるが、照射された光に応じて電荷を生成 する機能を持つ素子であれば、本発明はこれに限定されず、任意のものを使用可能 である。  (13) In the sensor circuit according to the first and second aspects of the present invention and the addressing type image sensor according to the third and fourth aspects of the present invention, the “photoelectric conversion element” was irradiated. It means an element that generates a charge in response to light. As the “photoelectric conversion element”, a photodiode, which is a semiconductor element, can be suitably used. However, the present invention is not limited to this as long as the element has a function of generating electric charge according to irradiated light. Anything can be used.
[0090] 「第 1ゲート素子」とは、複数の前記光電変換素子の各々とそれに対応する前記共 通ノードとを結ぶ経路を開閉するゲート機能を有する素子を意味する。 MOSトランジ スタが好適に使用できる力 本発明はこれに限定されるものではない。  The “first gate element” means an element having a gate function for opening and closing a path connecting each of the plurality of photoelectric conversion elements and the corresponding common node. Force that MOS transistor can be used suitably The present invention is not limited to this.
[0091] 「リセットトランジスタ」は、前記グループに属する複数の前記画素(前記光電変換素 子)で生成される信号電荷をリセットする機能を持つトランジスタであれば、任意のトラ ンジスタを使用可能である。「リセットトランジスタ」としては、 MOSトランジスタが好適 に使用できる力 本発明はこれに限定されるものではない。  As the “reset transistor”, any transistor can be used as long as it has a function of resetting signal charges generated in the plurality of pixels (the photoelectric conversion elements) belonging to the group. . The “reset transistor” is a power that can be suitably used as a MOS transistor. The present invention is not limited to this.
[0092] 「増幅トランジスタ」は、前記画素ブロックに属する複数の前記画素 (前記光電変換 素子)で生成される信号電荷に対応する信号を時系列的に増幅して出力信号を生 成する機能を持つトランジスタであれば、任意のトランジスタを使用可能である。「増 幅トランジスタ」としては、 MOSトランジスタが好適に使用できる力 本発明はこれに 限定されるものではない。 The “amplifying transistor” has a function of amplifying signals corresponding to signal charges generated by the plurality of pixels (the photoelectric conversion elements) belonging to the pixel block in time series to generate an output signal. Any transistor can be used as long as it has a transistor. "Increase As the “width transistor”, a MOS transistor can be suitably used. The present invention is not limited to this.
[0093] 「第 1半導体回路層」及び「第 2あるいは第 3以降の半導体回路層」とは、それぞれ、 半導体回路の層、換言すれば、層状に形成された半導体回路を意味する。通常は、 「半導体基板」と、その半導体基板の内部または表面に形成された「素子」及び「配 線」を含むが、これに限定されるわけではない。「半導体基板」の材質は任意であり、 所望の半導体素子や回路を形成できるものであれば、シリコンでもよいし、化合物半 導体でもよいし、その他の半導体でもよい。「半導体基板」の構造も任意であり、半導 体製の単なる板でもよいし、いわゆる SOI (Silicon On Insulator)基板でもよい。  “First semiconductor circuit layer” and “second or third and subsequent semiconductor circuit layers” mean semiconductor circuit layers, in other words, semiconductor circuits formed in layers. Usually, it includes, but is not limited to, “semiconductor substrate” and “elements” and “wirings” formed inside or on the surface of the semiconductor substrate. The material of the “semiconductor substrate” is arbitrary, and may be silicon, a compound semiconductor, or other semiconductors as long as a desired semiconductor element or circuit can be formed. The structure of the “semiconductor substrate” is arbitrary, and may be a simple plate made of a semiconductor or a so-called SOI (Silicon On Insulator) substrate.
[0094] 「第 1半導体回路層」及び「第 2あるいは第 3以降の半導体回路層」は、必要に応じ て (例えば、第 1半導体回路層と第 2あるいは第 3以降の半導体回路層だけでは所望 の剛性が得られな 、場合)、それらを支持するに足る剛性を持つ任意の「支持基板」 に対して固定される。「支持基板」の材質は任意である。すなわち、半導体であっても よいし、ガラスであってもよいし、その他の材質であってもよい。内部に回路が形成さ れた半導体基板、すなわち、いわゆる LSIウェハーや LSIチップでもよい。  [0094] The "first semiconductor circuit layer" and the "second or third and subsequent semiconductor circuit layers" are defined as necessary (for example, the first semiconductor circuit layer and the second or third and subsequent semiconductor circuit layers alone If the desired stiffness is not obtained, it is fixed to any “support substrate” that is rigid enough to support them. The material of the “support substrate” is arbitrary. That is, it may be a semiconductor, glass, or other material. A semiconductor substrate having a circuit formed therein, that is, a so-called LSI wafer or LSI chip may be used.
[0095] 「埋込配線」とは、「第 1半導体回路層」または「第 2あるいは第 3以降の半導体回路 層」の内部に埋設される積層方向の電気的接続用の配線ないし導体を言う。「埋込 配線」は、通常、半導体基板に形成された「トレンチ」または「透孔」の内壁面全体を 覆う「絶縁膜」と、その絶縁膜の内側の空間に充填された (埋め込まれた)「導電性材 料」と力も構成される。しかし、この構成に限定されるわけではない。  “Embedded wiring” refers to a wiring or conductor for electrical connection in the stacking direction embedded in “first semiconductor circuit layer” or “second or third or subsequent semiconductor circuit layers”. . “Built-in wiring” is usually filled with (insulating film) and “insulating film” that covers the entire inner wall surface of “trench” or “through hole” formed in the semiconductor substrate, and the space inside the insulating film. ) "Conductive material" and force are also composed. However, it is not necessarily limited to this configuration.
[0096] ここで、「トレンチ」または「透孔」とは、所望の深さを持ち、埋込配線となる導電性材 料を収容するものであればよぐ構成は任意である。「トレンチ」または「透孔」の深さ、 開口形状、開口寸法、断面形状等は、必要に応じて任意に設定できる。「トレンチ」ま たは「透孔」の形成方法は、半導体基板をその表面側から選択的に除去して形成で きるものであれば、任意の方法が使用できる。例えば、マスクを用いた異方性エッチ ング法が好適に使用できる。  Here, the “trench” or “through hole” may have any desired configuration as long as it has a desired depth and accommodates a conductive material to be an embedded wiring. The depth, opening shape, opening size, cross-sectional shape, etc. of the “trench” or “through hole” can be arbitrarily set as required. As a method for forming “trench” or “through hole”, any method can be used as long as it can be formed by selectively removing the semiconductor substrate from the surface side. For example, an anisotropic etching method using a mask can be suitably used.
[0097] 「トレンチ」または「透孔」の内壁面を覆う「絶縁膜」は、半導体基板と「トレンチ」また は「透孔」の内部に充填される「導電性材料」とを電気的に絶縁できるものであれば、 任意の絶縁膜が使用できる。例えば、二酸ィ匕シリコン (SiO )、窒化シリコン (SiN ) The “insulating film” covering the inner wall surface of the “trench” or “through hole” electrically connects the semiconductor substrate and the “conductive material” filled in the “trench” or “through hole”. If it can be insulated, Any insulating film can be used. For example, silicon dioxide (SiO 2), silicon nitride (SiN)
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等が好適に使用できる。「絶縁膜」の形成方法は、任意である。  Etc. can be used suitably. A method of forming the “insulating film” is arbitrary.
[0098] 「トレンチ」または「透孔」の内部に充填される「導電性材料」は、埋込配線 (例えば 導電性プラグ)として使用できるものであればよぐ任意の材料が使用できる。例えば 、ポリシリコン等の半導体、タングステン (W)、銅(Cu)、アルミニウム (A1)等の金属が 好適に使用できる。「導電性材料」の充填方法は、半導体基板の片面から「導電性材 料」を「トレンチ」または「透孔」の内部に充填できるものであれば、任意の方法が使用 できる。 As the “conductive material” filled in the “trench” or “through hole”, any material can be used as long as it can be used as a buried wiring (for example, a conductive plug). For example, semiconductors such as polysilicon, metals such as tungsten (W), copper (Cu), and aluminum (A1) can be preferably used. As the filling method of the “conductive material”, any method can be used as long as the “conductive material” can be filled into the “trench” or “through hole” from one side of the semiconductor substrate.
発明の効果  The invention's effect
[0099] 本発明のセンサ回路によれば、(a)全画素についての信号電荷の実質的同時蓄 積 (実質的同時シャツタ化)が可能であると共に、従来のアドレス指定型イメージセン サよりも高い画素開口率を実現できる、(b)従来のアドレス指定型イメージセンサにお ける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができる、と いう効果が得られる。  According to the sensor circuit of the present invention, (a) signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all the pixels, and moreover than a conventional addressed image sensor. It is possible to achieve a high pixel aperture ratio, and (b) to image a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional addressing type image sensor.
[0100] 本発明のアドレス指定型イメージセンサによれば、(a)全画素についての信号電荷 の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能であると共に、従来のアドレス指 定型イメージセンサよりも高い画素開口率を実現できる、(b)従来のアドレス指定型ィ メージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像す ることができる、(c)撮像領域の総面積に対する受光領域の総面積の割合が高い、と いう効果が得られる。  [0100] According to the addressing type image sensor of the present invention, (a) signal charges can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting) for all pixels, and moreover than a conventional addressing type image sensor. Can achieve high pixel aperture ratios, (b) can capture high-speed moving subjects without image distortion in conventional addressing-type image sensors, and (c) receive light with respect to the total area of the imaging area The effect is that the ratio of the total area of the region is high.
図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings
[0101] [図 1]本発明の第 1実施形態に係るセンサ回路が使用されるアドレス指定型イメージ センサの全体構成を示す機能ブロック図である。  FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor in which a sensor circuit according to a first embodiment of the present invention is used.
[図 2]本発明の第 1実施形態に係るセンサ回路の要部回路構成を示す図で、第 j列に 属する二つの画素ブロックの回路構成を示している。  FIG. 2 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit according to the first embodiment of the present invention, and shows a circuit configuration of two pixel blocks belonging to the j-th column.
[図 3]本発明の第 2実施形態に係るセンサ回路の要部回路構成を示す図 2と同様の 図である。  FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 showing a principal circuit configuration of a sensor circuit according to a second embodiment of the present invention.
[図 4]本発明の第 3実施形態に係るセンサ回路の要部回路構成を示す図 2と同様の 図である。 FIG. 4 is the same as FIG. 2 showing the main circuit configuration of the sensor circuit according to the third embodiment of the present invention. FIG.
圆 5]本発明の第 4実施形態に係るセンサ回路の要部回路構成を示す図 2と同様の 図である。 [5] FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 showing a principal circuit configuration of a sensor circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
圆 6]本発明の第 5実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成を 示す回路図である。 6] A circuit diagram showing a main circuit configuration of an addressing type image sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
圆 7]本発明の第 6実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成を 示す回路図である。 7] A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
圆 8]本発明の第 5実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示す 要部断面図である。 [8] FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part showing an actual structure of an addressing type image sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
圆 9]本発明の第 6実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示す 要部断面図である。 9] It is a sectional view of the main part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
圆 10]本発明の第 7実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 10] A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
圆 11]本発明の第 7実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 [11] FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part showing an actual structure of an addressing type image sensor according to a seventh embodiment of the present invention.
圆 12]本発明の第 8実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 12] A cross-sectional view of the essential part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the eighth embodiment of the present invention.
圆 13]本発明の第 9実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 13] A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the ninth embodiment of the present invention.
圆 14]本発明の第 9実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 14] A cross-sectional view of the essential part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the ninth embodiment of the present invention.
圆 15]本発明の第 10実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 15] A cross-sectional view of the essential part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the tenth embodiment of the present invention.
圆 16]本発明の第 11実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 FIG. 16 is a circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the eleventh embodiment of the present invention.
圆 17]本発明の第 11実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 圆 17] It is a sectional view of the main part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the eleventh embodiment of the present invention.
圆 18]本発明の第 12実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 [18] An actual structure of an addressing type image sensor according to a twelfth embodiment of the present invention is shown. FIG.
圆 19]本発明の第 13実施形態に係るセンサ回路が使用されるアドレス指定型ィメー ジセンサの全体構成を示す機能ブロック図である。 FIG. 19 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor in which a sensor circuit according to a thirteenth embodiment of the present invention is used.
圆 20]本発明の第 13実施形態に係るセンサ回路の要部回路構成を示す図で、第 j 列に属する二つの画素ブロックの回路構成を示している。 20] A diagram showing a main circuit configuration of a sensor circuit according to a thirteenth embodiment of the present invention, showing the circuit configuration of two pixel blocks belonging to the j-th column.
圆 21]本発明の第 14実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 21] A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the fourteenth embodiment of the present invention.
圆 22]本発明の第 15実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 22] A circuit diagram showing the main circuit configuration of the addressing type image sensor according to the fifteenth embodiment of the present invention.
圆 23]本発明の第 14実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 圆 23] A sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the fourteenth embodiment of the present invention.
圆 24]本発明の第 15実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 24] A sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the fifteenth embodiment of the present invention.
圆 25]本発明のアドレス指定型イメージセンサに使用される記憶用容量素子の構成 例を示す要部断面図である。 [25] FIG. 25 is a cross-sectional view of a main part showing a configuration example of a storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
圆 26]本発明のアドレス指定型イメージセンサに使用される記憶用容量素子の他の 構成例を示す要部断面図である。 FIG. 26 is a cross-sectional view of the principal part showing another configuration example of the storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
圆 27]本発明のアドレス指定型イメージセンサに使用される記憶用容量素子のさらに 他の構成例を示す要部断面図である。 [27] FIG. 27 is a cross-sectional view of the principal part showing still another configuration example of the storage capacitor element used in the addressing type image sensor of the present invention.
圆 28]本発明の第 16実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの要部回路構成 を示す回路図である。 [28] FIG. 28 is a circuit diagram showing a main circuit configuration of an addressing type image sensor according to a sixteenth embodiment of the present invention.
圆 29]本発明の第 16実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサの実際構造を示 す要部断面図である。 [29] FIG. 29 is a cross-sectional view of an essential part showing the actual structure of the addressing type image sensor according to the sixteenth embodiment of the present invention.
[図 30] (a)は、従来の CMOS (アドレス指定型)イメージセンサの一般的な回路構成 を示す概念図、 (b)は同イメージセンサの信号電荷の蓄積期間を示す概念図である 圆 31]従来の CMOS (アドレス指定型)イメージセンサの要部回路構成を示す回路 図である。 [図 32]従来の CMOS (アドレス指定型)イメージセンサの実際構造を示す要部断面 図である。 [FIG. 30] (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CMOS (addressing type) image sensor, and (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the image sensor. 31] A circuit diagram showing a main circuit configuration of a conventional CMOS (addressing type) image sensor. FIG. 32 is a cross-sectional view of an essential part showing the actual structure of a conventional CMOS (addressing type) image sensor.
[図 33] (a)は、従来の CCD (電荷転送型)イメージセンサの一般的な回路構成を示す 概念図、 (b)は同イメージセンサの信号電荷の蓄積期間を示す概念図である。  [FIG. 33] (a) is a conceptual diagram showing a general circuit configuration of a conventional CCD (charge transfer type) image sensor, and (b) is a conceptual diagram showing a signal charge accumulation period of the image sensor.
[図 34] (a)は高速回転する羽根を CCD (電荷転送型)イメージセンサによって撮像し て得た画像を示す概念図、同じ羽根を従来の CMOS (アドレス指定型)イメージセン サによって撮像して得た画像を示す概念図である。 [Fig. 34] (a) is a conceptual diagram showing an image obtained by imaging a high-speed rotating blade with a CCD (charge transfer type) image sensor. The same blade is imaged with a conventional CMOS (addressing type) image sensor. It is a conceptual diagram which shows the image obtained in this way.
符号の説明 Explanation of symbols
1、 1A、 1B、 1C センサ回路  1, 1A, 1B, 1C sensor circuit
2、 2A、 2B、 2C、 2D、 2E、 2F、 2G、 2H アドレス指定型イメージセンサ  2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H Addressable image sensor
3 センサ回路  3 Sensor circuit
4、4A アドレス指定型イメージセンサ  4, 4A addressable image sensor
11、 11a 画素  11, 11a pixel
12、 12a 画素ブロック  12, 12a pixel block
13, 13a 共通ノード  13, 13a Common node
14、 15 ノード、  14, 15 nodes,
21、 21A、 21B、 21C、 21D、 21E、 21F 上位半導体回路層  21, 21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 21F Upper semiconductor circuit layer
22Fa 中位半導体回路層  22Fa Middle semiconductor circuit layer
22、 22'、 22A、 22A'、 22B、 22B'、 22C'、 22D'、 22E、 22E'、 22Fb下位半 導体回路層  22, 22 ', 22A, 22A', 22B, 22B ', 22C', 22D ', 22E, 22E', 22Fb Lower semiconductor circuit layer
23、 23' 埋込配線  23, 23 'Embedded wiring
23a, 23a' 導電性コンタクトプラグ  23a, 23a 'Conductive contact plug
24、 24' 絶縁膜  24, 24 'insulation film
31 リセット線  31 Reset line
32 読出制御線  32 Read control line
33 水平信号線  33 Horizontal signal line
34 垂直走査回路  34 Vertical scanning circuit
35 水平走査回路 CDS回路 35 Horizontal scanning circuit CDS circuit
列信号線  Column signal line
列選択信号  Column selection signal
出力選択線 Output selection line
a 出力制御線 a Output control line
p型シリコン基板  p-type silicon substrate
素子分離絶縁膜  Element isolation insulating film
、 43 n+型領域 43 n + type region
ゲート電極  Gate electrode
導電 14コンタクトプラグ  Conductive 14 contact plug
配線膜  Wiring film
配線構造  Wiring structure
n+型領域  n + type region
ゲート電極  Gate electrode
導電 ¾コンタクトプラグ  Conductive ¾ Contact plug
n+型領域  n + type region
ゲート電極  Gate electrode
、 55 導電性コンタクトプラグ 、 57 配線膜 , 55 Conductive contact plug, 57 Wiring film
導電性コンタクトプラグ  Conductive contact plug
配線膜  Wiring film
、 60' p型シリコン基板 60 'p-type silicon substrate
、 61 ' 素子分離絶縁膜 , 61 '' element isolation insulating film
、 64、 66、 66a, 66b n+型領域 、 65、 67、 67a, 67b ゲー卜電極aa 容量素子 64, 66, 66a, 66b n + type region, 65, 67, 67a, 67b Gate electrode aa capacitor
、 69、 70、 71 導電性コンタクトプラグ, 72a, 73 酉己線膜 74、 74' 配線構造 69, 70, 71 Conductive contact plug, 72a, 73 74, 74 'wiring structure
74a, 74a, 74a' 導電性コンタクトプラグ  74a, 74a, 74a 'conductive contact plug
75、 75 ' 配線膜  75, 75 'wiring film
76 n+型領域 76 n + type region
77 ゲート電極  77 Gate electrode
78、 80、 82 導電性コンタクトプラグ  78, 80, 82 Conductive contact plug
79、 81、 83 配線膜  79, 81, 83 Wiring film
90、 90'  90, 90 '
バンプ電極  Bump electrode
91、 91 ' 電気的絶縁性接着剤  91, 91 'electrical insulating adhesive
PD〜PD フォトダイオード  PD to PD photodiode
TG〜TG トランスファゲート  TG to TG transfer gate
Tr 、Tr 〜Tr リセットトランジスタ  Tr, Tr to Tr reset transistor
RST RST1 RSTn  RST RST1 RSTn
Tr Tr
P 増幅トランジスタ  P amplification transistor
AM  AM
Tr 〜Tr 選択トランジスタ  Tr to Tr selection transistor
SELl SELn  SELl SELn
R 抵抗器  R resistor
c 、  c,
ST c 〜  ST c ~
ST1 c STn 記憶用容量素子  ST1 c STn Memory capacitor
R  R
0 寄生抵抗  0 Parasitic resistance
C 、C 、C 寄生容量  C, C, C parasitic capacitance
sn 01 02  sn 01 02
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0103] 以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0104] (第 1実施形態) [0104] (First embodiment)
図 2は、本発明の第 1実施形態に係るセンサ回路 1の要部回路構成を示す図であ る。図 1は、このセンサ回路 1が使用されるアドレス指定型イメージセンサ(以下、 CM OSイメージセンサともいう)の全体構成を示す機能ブロック図である。このセンサ回路 1は、本発明の第 1の観点によるセンサ回路に対応する。  FIG. 2 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an addressing type image sensor (hereinafter also referred to as a CM OS image sensor) in which the sensor circuit 1 is used. This sensor circuit 1 corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
[0105] 図 1のイメージセンサの全体構成は、図 30 (a)に示す従来の CMOS (アドレス指定 型)イメージセンサとほぼ同様であって、 & 11)行111列( n、 mはいずれも 2以上の 整数)のマトリックス状に配置された (k X n) 111個の画素11 (以下、これら画素 11に より形成されるマトリックスを「画素マトリックス」ともいう)を備えている。ただし、これら の画素 11は、(k X m)個の画素ブロック 12に区分(ブロックィ匕)されている点と、各画 素 11中にリセットトランジスタ及び増幅トランジスタが含まれていない点で、従来の C MOSイメージセンサとは異なる。すなわち、各画素ブロック 12では、同じ列に属する 画素 11が n個毎にまとめられて共通ノード(図 1には図示せず。図 2では共通ノード 1 3に対応する)に並列接続されて、画素ブロック 12を構成している(図 2を参照)。画 素ブロック 12もマトリックス状に配置されている。 [0105] The overall configuration of the image sensor in Fig. 1 is the conventional CMOS (address specification) shown in Fig. 30 (a). Type) Almost the same as an image sensor, & 11) arranged in a matrix of rows and 111 columns (n and m are integers greater than or equal to 2) (k X n) 111 pixels 11 (hereinafter these The matrix formed by the pixels 11 is also referred to as a “pixel matrix”). However, these pixels 11 are divided into (k X m) pixel blocks 12 (blocky), and each pixel 11 does not include a reset transistor and an amplification transistor. Different from conventional C MOS image sensors. That is, in each pixel block 12, n pixels 11 belonging to the same column are grouped every n and connected in parallel to a common node (not shown in FIG. 1 and corresponding to the common node 13 in FIG. 2) This constitutes a pixel block 12 (see FIG. 2). The pixel blocks 12 are also arranged in a matrix.
[0106] リセットトランジスタ Tr 及び増幅トランジスタ Tr は、画素ブロック 12の外部にお [0106] The reset transistor Tr and the amplification transistor Tr are provided outside the pixel block 12.
RST AMP  RST AMP
いて画素ブロック 12毎に一つずつ設けられている。換言すれば、リセットトランジスタ Tr 及び増幅トランジスタ Tr は、それぞれ、各画素ブロック 12中の n個の画素 1 One pixel block 12 is provided. In other words, the reset transistor Tr and the amplifying transistor Tr are respectively n pixels 1 in each pixel block 12.
RST AMP RST AMP
1に対して共用される。したがって、リセットトランジスタ Tr の総数は (k X m)個であ  Shared for 1. Therefore, the total number of reset transistors Tr is (k X m).
RST  RST
り、増幅トランジスタ Tr の総数も(k X m)個である。  Therefore, the total number of amplification transistors Tr is also (k X m).
AMP  AMP
[0107] 各画素ブロック 12の近傍には、それぞれが画素マトリックスの対応する列に沿って 延在する m本のリセット線 31が形成されている。各画素ブロック 12毎に一つのリセット トランジスタ Tr が設けられているので、各リセット線 31には k個のリセットトランジス  In the vicinity of each pixel block 12, m reset lines 31 are formed, each extending along a corresponding column of the pixel matrix. Since one reset transistor Tr is provided for each pixel block 12, each reset line 31 has k reset transistors.
RST  RST
タ Tr が接続されていることになる。それらリセットトランジスタ Tr の各々の出力端 The transistor Tr is connected. Each output terminal of the reset transistor Tr
RST RST RST RST
には、一つの増幅トランジスタ Tr が接続されている。各リセット線 31は、対応する  Is connected to one amplifying transistor Tr. Each reset line 31 corresponds to
AMP  AMP
列に属する k個の画素ブロック 12中の画素 11に蓄積された信号電荷をリセットするた めに使用される。それらの画素 11へのリセット用電圧の印加は、対応するリセットトラ ンジスタ Tr を用いて制御される。(画素 11の信号電荷をリセットする際に、増幅トラ  Used to reset the signal charge accumulated in pixel 11 in k pixel blocks 12 belonging to the column. Application of the reset voltage to these pixels 11 is controlled using the corresponding reset transistor Tr. (When resetting the signal charge of pixel 11,
RST  RST
ンジスタ Tr のゲート電極もリセットされる。)各増幅トランジスタ Tr は、対応する  The gate electrode of the transistor Tr is also reset. ) Each amplification transistor Tr corresponds to
AMP AMP  AMP AMP
画素ブロック 12の中の各画素 11から読み出された信号を増幅するために使用される 。各増幅トランジスタ Tr で増幅された信号は、当該増幅トランジスタ Tr の出力  Used to amplify the signal read from each pixel 11 in the pixel block 12. The signal amplified by each amplification transistor Tr is the output of the amplification transistor Tr.
AMP AMP  AMP AMP
端を介して、対応する列信号線 37に順に送出される。  The signals are sequentially sent to the corresponding column signal lines 37 via the ends.
[0108] 各画素ブロック 12の近傍には、さらに、それぞれが画素マトリックスの対応する行に 沿って延在する(k X n)本の読出制御線 32が形成されている。これら読出制御線 32 は、同じ行に属する m個の画素ブロック 12に対して n本ずつ設けられており、各画素 ブロック 12中の n個の画素 11の各々力も信号を読み出すために使用される。図 1で は、同じ行に属する m個の画素ブロック 12に対して設けられた n本の読出制御線 32 を、まとめて一本の線で示している。 In the vicinity of each pixel block 12, (k X n) read control lines 32 each extending along a corresponding row of the pixel matrix are formed. These read control lines 32 Are provided for each of m pixel blocks 12 belonging to the same row, and each force of n pixels 11 in each pixel block 12 is also used for reading out a signal. In FIG. 1, n readout control lines 32 provided for m pixel blocks 12 belonging to the same row are collectively shown as a single line.
[0109] 画素マトリックスの左端の近傍には、画素マトリックスの列に沿って延在する一つの 垂直走査回路 34が設けられている。この垂直走査回路 34は、(k X n)本の読出制御 線 32を順に走査してそれらを時系列的に選択する。その際に、各読出制御線 32に は、対応する行に属する m個の画素ブロック 12の各々に含まれている n個の画素 11 を、時系列的に選択する信号(図 2のトランスファゲート制御信号 φ 〜φ に対応 [0109] In the vicinity of the left end of the pixel matrix, one vertical scanning circuit 34 extending along the column of the pixel matrix is provided. The vertical scanning circuit 34 sequentially scans (k X n) read control lines 32 and selects them in time series. At this time, each readout control line 32 is supplied with a signal for selecting the n pixels 11 included in each of the m pixel blocks 12 belonging to the corresponding row in time series (the transfer gate in FIG. 2). Supports control signals φ to φ
Tl Τη する)が送出される。  Tl Τη) is sent out.
[0110] 画素マトリックスの下端の近傍には、画素マトリックスの行に沿って延在する一つの 水平信号線 33及び一つの水平走査回路 35と、ノイズ除去用の m個の CDS回路 36 とが設けられている。水平走査回路 35は、 m個の列選択信号 38によってこれら CDS 回路 36を時系列的に選択する。  [0110] In the vicinity of the lower end of the pixel matrix, one horizontal signal line 33 and one horizontal scanning circuit 35 extending along the row of the pixel matrix and m CDS circuits 36 for noise removal are provided. It has been. The horizontal scanning circuit 35 selects these CDS circuits 36 in time series by m column selection signals 38.
[0111] m個の CDS回路 36の各々には、当該列に属する k個の増幅トランジスタ Tr の  [0111] Each of the m CDS circuits 36 includes k amplification transistors Tr belonging to the column.
AMP  AMP
出力端にそれぞれ接続された k本の列信号線 37が並列に接続されて ヽる。したがつ て、同じ行に属する k個の増幅トランジスタ Tr の k個の出力信号が、対応する CD  K column signal lines 37 respectively connected to the output terminals are connected in parallel. Therefore, the k output signals of k amplification transistors Tr belonging to the same row correspond to the corresponding CD.
AMP  AMP
S回路 36に並列に入力される。 m個の CDS回路 36の出力端子は、水平信号線 33 にそれぞれ接続されているので、各 CDS回路 36の出力信号は、水平信号線 33を介 して順次、当該イメージセンサの外部に出力される。  Input to S circuit 36 in parallel. Since the output terminals of the m CDS circuits 36 are connected to the horizontal signal line 33, the output signals of the CDS circuits 36 are sequentially output to the outside of the image sensor via the horizontal signal line 33. The
[0112] 次に、図 2を参照しながら、上記構成を持つアドレス指定型イメージセンサに使用さ れる第 1実施形態に係るセンサ回路 1について説明する。  Next, the sensor circuit 1 according to the first embodiment used in the addressing type image sensor having the above configuration will be described with reference to FIG.
[0113] 図 2は、画素マトリックスの第 j列(ただし、 l≤j≤m)に属する二つの画素ブロック 12 の回路構成を示している。上の画素ブロック 12は上力も i番目(ただし、 l≤i≤k)に 位置し、下の画素ブロック 12は上力も第 (i+ 1)番目に位置している。したがって、必 要に応じて、上の画素ブロック 12を 12 (i, j)と表示し、下の画素ブロック 12を 12 (i+ 1, j)と表示する。  [0113] FIG. 2 shows a circuit configuration of two pixel blocks 12 belonging to the j-th column (where l≤j≤m) of the pixel matrix. The upper pixel block 12 has the upper force located at the i-th (where l≤i≤k), and the lower pixel block 12 has the upper force located at the (i + 1) -th. Therefore, the upper pixel block 12 is displayed as 12 (i, j) and the lower pixel block 12 is displayed as 12 (i + 1, j) as necessary.
[0114] 上の画素ブロック 12 (i, j)は、第 j列の第 [n X (i— 1) + 1]行〜第 (n X i)行に属す る画素 11を含む。下の画素ブロック 12 (i+ 1, j)は、第 j列の第 [nX i+ 1]行〜第 [n X (i+ 1) ]行に属する画素 11を含む。これら二つの画素ブロック 12 (i, j)と 12 (i+ 1 , j)は同一の構成を有するので、以下の説明では、主として上の画素ブロック 12 (i, j )について説明することにする。 [0114] The upper pixel block 12 (i, j) belongs to the [n X (i— 1) + 1] row to the (n X i) row of the j-th column. Pixel 11 to be included. The lower pixel block 12 (i + 1, j) includes pixels 11 belonging to the [nX i + 1] row to the [n X (i + 1)] row of the jth column. Since these two pixel blocks 12 (i, j) and 12 (i + 1, j) have the same configuration, in the following description, the upper pixel block 12 (i, j) will be mainly described.
[0115] 画素ブロック 12 (i, j)の中には、 n個の画素 11が含まれており、各画素 11は一つの フォトダイオードと一つのトランスファゲートを含む。したがって、各画素 11は、 n個の フォトダイオード PD〜PDと、 n個のトランスファゲート TG〜TGを含んでいる。トラ ンスファゲート TG〜TGの各々は、 MOSトランジスタから構成されている。フォトダ ィオード PD〜PDの各々のアノードは、トランスファゲート TG〜TGの対応するも のの一方のソース'ドレイン領域に接続され、力ソードは所定電位 (通常は接地電位) の端子または領域に共通接続されている。トランスファゲート TG〜TGの各々の他 方のソース'ドレイン領域は、画素ブロック 12 (i, j)の中の共通ノード 13に共通接続さ れている。すなわち、画素ブロック 12 (i, j)の中の n個の画素 11は、共通ノード 13に 並列に接続されている。  In the pixel block 12 (i, j), n pixels 11 are included, and each pixel 11 includes one photodiode and one transfer gate. Accordingly, each pixel 11 includes n photodiodes PD to PD and n transfer gates TG to TG. Each of the transfer gates TG to TG is composed of a MOS transistor. The anode of each photodiode PD to PD is connected to one of the source and drain regions of the corresponding one of the transfer gates TG to TG. Has been. The other source and drain regions of each of the transfer gates TG to TG are commonly connected to a common node 13 in the pixel block 12 (i, j). That is, n pixels 11 in the pixel block 12 (i, j) are connected in parallel to the common node 13.
[0116] 画素ブロック 12 (i, j)の共通ノード 13は、当該画素ブロック 12 (i, j)に対応して設け られた共通のリセットトランジスタ T の一方のソース'ドレイン領域と、当該画素ブロ  [0116] The common node 13 of the pixel block 12 (i, j) has one source'drain region of the common reset transistor T provided corresponding to the pixel block 12 (i, j) and the pixel block 12
RST  RST
ック 12 (i, j)に対応して設けられた共通の増幅トランジスタ T のゲート電極に、ノー  No common is applied to the gate electrode of the common amplifying transistor T provided corresponding to the clock 12 (i, j).
AMP  AMP
ド 14で接続されている。これらのリセットトランジスタ T と増幅トランジスタ T は、  Are connected at the same time. These reset transistor T and amplification transistor T are
RST AMP  RST AMP
いずれも画素ブロック 12 (i, j)の外側に設けられている。リセットトランジスタ T の他  Both are provided outside the pixel block 12 (i, j). Other than reset transistor T
RST  RST
方のソース'ドレイン領域は、リセット用電圧源(リセット電圧 =v )に接続されている  The source and drain regions are connected to the reset voltage source (reset voltage = v)
RST  RST
。増幅トランジスタ T の一方のソース'ドレイン領域は、直流電源(電源電圧  . One source / drain region of the amplification transistor T is connected to a DC power supply (power supply voltage).
AMP =v CC AMP = v CC
)に接続されており、他方のソース'ドレイン領域(出力側)は、当該画素ブロック 12 (i , j)の出力端子 (すなわち、対応する列信号線 37)に接続されている。増幅トランジス タ T の出力端(出力側のソース'ドレイン領域)は、抵抗器 Rを介して所定電位 (通And the other source / drain region (output side) is connected to the output terminal of the pixel block 12 (i, j) (that is, the corresponding column signal line 37). The output terminal of the amplifying transistor T (source side / drain region on the output side) is connected to a predetermined potential (through
AMP AMP
常は接地電位)の端子または領域に接続されており、ソースフォロア形式の増幅器を 構成している。ノード 14に接続された容量 C は、当該ノード 14に生じる寄生容量で sn  It is normally connected to the terminal or area of the ground potential) and constitutes a source follower type amplifier. The capacitance C connected to the node 14 is a parasitic capacitance generated at the node 14 and is sn
ある。ノード 14は、寄生容量 C を介して所定電位 (通常は接地電位)の端子または sn  is there. Node 14 is connected to a terminal of a predetermined potential (usually ground potential) or sn through parasitic capacitance C.
領域に接続されている。 [0117] 増幅トランジスタ T の出力端子(出力側のソース'ドレイン領域)は、図 1に示すよ Connected to the region. [0117] The output terminal of the amplifying transistor T (the source-drain region on the output side) is shown in Fig. 1.
AMP  AMP
うに、対応する列信号線 37に接続されているから、増幅トランジスタ T の出力信号  Thus, the output signal of the amplification transistor T is connected to the corresponding column signal line 37.
AMP  AMP
、すなわち n個のフォトダイオード PD〜PDのシリアル(時系列的な)出力信号は、 対応する列信号線 37を介して対応する CDS回路 36に送られる。そして、 CDS回路 36から水平信号線 33に送られる際に、水平走査回路 35の走査によって m個の列選 択信号 38を介して当該列信号線 37が選択され、それによつて当該シリアル出力信 号は水平信号線 33に送られる。その後、水平信号線 33の一端(図 1では右端)に設 けられた当該イメージセンサの出力端子(図示せず)まで送られる。  That is, the serial (time-series) output signals of the n photodiodes PD to PD are sent to the corresponding CDS circuit 36 via the corresponding column signal line 37. Then, when being sent from the CDS circuit 36 to the horizontal signal line 33, the column signal line 37 is selected via the m column selection signals 38 by the scanning of the horizontal scanning circuit 35, whereby the serial output signal is sent. The signal is sent to the horizontal signal line 33. Thereafter, the signal is sent to the output terminal (not shown) of the image sensor provided at one end of the horizontal signal line 33 (the right end in FIG. 1).
[0118] 画素ブロック 12 (i, j)の以外のすべての画素ブロック 12は、画素ブロック 12 (i, と 同じ構成を有しているので、上述したのと同様にして、 n個のフォトダイオード PD〜P Dのシリアル出力信号が当該イメージセンサの出力端子まで送られる。こうして被写 体の撮像が可能となる。  [0118] All the pixel blocks 12 other than the pixel block 12 (i, j) have the same configuration as the pixel block 12 (i, so that n photodiodes are formed in the same manner as described above. The serial output signal from PD to PD is sent to the output terminal of the image sensor, so that the subject can be imaged.
[0119] 次に、以上の構成を持つセンサ回路 1を備えたアドレス指定型イメージセンサの動 作 (信号電荷の生成 ·蓄積から出力信号の出力まで)につ 、て説明する。  Next, the operation of the addressing type image sensor including the sensor circuit 1 having the above configuration (from signal charge generation / accumulation to output signal output) will be described.
[0120] 1.全画素(全フォトダイオード)のグローバルリセット  [0120] 1. Global reset of all pixels (all photodiodes)
まず、全画素 11のフォトダイオード PD〜PDの各々に対して設けられたトランスフ ァゲート TG〜TG (第 1ゲート素子)を構成する MOSトランジスタのゲート電極にそ れぞれ印加されるパルス信号 (トランスファゲート制御信号) φ 〜 態を  First, pulse signals (transfer) respectively applied to the gate electrodes of the MOS transistors constituting the transfer gates TG to TG (first gate elements) provided for the photodiodes PD to PD of all the pixels 11. Gate control signal) φ
Tl φ の論理状 Τη  The logical state of Tl φ Τη
High (H)とし、もって全トランスファゲート TG〜TGを導通状態とする。  High (H), all the transfer gates TG to TG are turned on.
[0121] 次に、全画素 11のトランスファゲート TG〜TGを開いたままで、全画素ブロック 12 の各々に対して設けられたリセットトランジスタ Tr のゲート電極に印加されるパルス [0121] Next, a pulse applied to the gate electrode of the reset transistor Tr provided for each of all the pixel blocks 12 with the transfer gates TG to TG of all the pixels 11 open.
RST  RST
信号 (リセット制御信号) φ の論理状態を Hとし、もって全リセットトランジスタ Tr  The logic state of the signal (reset control signal) φ is H, and all reset transistors Tr
RST RST  RST RST
を一括して導通状態にする。その結果、所定のリセット電圧 V 1S ノード 14と共通ノ  To the continuity state. As a result, a common node with a predetermined reset voltage V 1S node 14
RST  RST
ード 13とトランスファゲート TG〜TGを介して、全画素 11のフォトダイオード PD〜 PDに同時に印加される。その結果、全画素 11のフォトダイオード PD〜PDに印加 される電圧がリセット電圧 V にほぼ等しくされる、換言すれば、全画素 11のフォトダ  It is simultaneously applied to the photodiodes PD to PD of all the pixels 11 through the node 13 and the transfer gates TG to TG. As a result, the voltage applied to the photodiodes PD to PD of all the pixels 11 is made approximately equal to the reset voltage V, in other words, the photo diodes of all the pixels 11.
RST  RST
ィオード PD〜PD力^セットされる。こうして、全画素 11の一括同時リセット、すなわ ち「グローバルリセット」が行われる。 [0122] 2.露光 (電荷蓄積) Diode PD ~ PD power ^ set. In this way, all pixels 11 are simultaneously reset, that is, “global reset” is performed. [0122] 2. Exposure (Charge accumulation)
次に、全画素 11のトランスファゲート TG〜TGに印加されるトランスファゲート制 御信号 φ 〜 φ の論理状態を Low (L)とし、すべてのトランスファゲート TG〜TG  Next, the logic state of the transfer gate control signals φ to φ applied to the transfer gates TG to TG of all the pixels 11 is set to Low (L), and all the transfer gates TG to TG are set.
Tl Tn 1 を遮断状態とする。また、それと同時に、リセット制御信号 φ の論理状態を Lとし、 n RST  Tl Tn 1 is turned off. At the same time, the logic state of the reset control signal φ is set to L, and n RST
全リセットトランジスタ Tr も一括して遮断状態とする。  All reset transistors Tr are also shut off at the same time.
RST  RST
[0123] その後、その状態で、全画素 11のフォトダイオード PD〜PDに光を照射させ、全 フォトダイオード PD〜PDに一括して信号電荷を生成'蓄積させる。照射時間は通 常、数百/ z secないし数 msecで、非常に長い。  Thereafter, in this state, the photodiodes PD to PD of all the pixels 11 are irradiated with light, and signal charges are generated and accumulated all at once in all the photodiodes PD to PD. The irradiation time is usually several hundreds / z sec to several msec and is very long.
[0124] 信号電荷の生成'蓄積が完了すると同時に、リセット制御信号 φ の論理状態を  [0124] As soon as signal charge generation 'accumulation is completed, the logic state of reset control signal φ
RST  RST
再び Hとして全リセットトランジスタ Tr を一括して導通状態にし、所定時間(例えば  Again set to H and all reset transistors Tr are turned on all at once for a predetermined time (for example,
RST  RST
、 1 μ sec)経過後、リセット制御信号 φ の論理状態を再び Lとして全リセットトランジ  1 μsec), the logic state of the reset control signal φ is set to L again and all reset transitions
RST  RST
スタ Tr を一括して遮断状態にする。こうして、全ノード 14 (すなわち全増幅トランジ Shut down all the star transistors. Thus, all nodes 14 (i.e. all amplified transistors)
RST RST
スタ Tr のゲート電極)にリセット電圧 V を一時的に印加し、全増幅トランジスタ T The reset voltage V is temporarily applied to the gate electrode of the transistor Tr, and all the amplification transistors T
AMP RST AMP RST
r のゲート電圧を所定の基準電圧に設定する。  The gate voltage of r is set to a predetermined reference voltage.
AMP  AMP
[0125] 3.信号の読み出しとその増幅  [0125] 3. Signal readout and amplification
上記のようにして全フォトダイオード PD〜PDに生成'蓄積せしめられた電荷量に 比例する信号は、電圧の形式で次のようにして各画素 11から読み出され、増幅され る。  A signal proportional to the amount of charge generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD as described above is read out from each pixel 11 in the form of voltage and amplified as follows.
[0126] すなわち、まず、垂直走査回路 34と水平走査回路 35によって一つの画素ブロック 12が選択されると、その画素ブロック 12中の n個のトランスファゲート制御信号 φ 〜  That is, first, when one pixel block 12 is selected by the vertical scanning circuit 34 and the horizontal scanning circuit 35, n transfer gate control signals φ ~ in the pixel block 12 are selected.
T1 T1
Φ の論理状態を順に Lから Hに変えてトランスファゲート TG〜TGを順に導通状The logic state of Φ is changed from L to H in order, and the transfer gates TG to TG are turned on sequentially.
Tn I n Tn I n
態にしていく。そして、それらの導通状態を所定時間(例えば、 0. 1 μ sec)保持した 後、順にそれらの論理状態を Lに戻していく。こうして、当該画素ブロック 12中の全フ オトダイオード PD〜PD力 信号力 ード 14に時系列的に読み出される。その間、 全リセットトランジスタ Tr は遮断状態に保持される。  I will make it. Then, after maintaining these conduction states for a predetermined time (for example, 0.1 μsec), the logic states are returned to L in order. Thus, all the photodiodes PD to PD force signal force 14 in the pixel block 12 are read out in time series. In the meantime, all reset transistors Tr are held off.
RST  RST
[0127] ノード 14にソースフォロア形式で接続された増幅トランジスタ Tr は、そのゲート  [0127] The amplification transistor Tr connected to the node 14 in the form of a source follower has its gate
AMP  AMP
電極がノード 14に接続されているので、ノード 14に読み出された電圧信号は直ちに 当該増幅トランジスタ Tr で増幅される。そして、増幅された信号は、当該増幅トラ  Since the electrode is connected to the node 14, the voltage signal read to the node 14 is immediately amplified by the amplification transistor Tr. The amplified signal is then transferred to the amplified traffic.
AMP ンジスタ Tr の出力端子側のソース ·ドレイン領域力も列信号線 37に向けて出力さAMP The source / drain region force on the output terminal side of the transistor Tr is also output toward the column signal line 37.
AMP AMP
れる。  It is.
[0128] 当該画素ブロック 12中の n個の画素 11、すなわちフォトダイオード PD〜PD力 信号を読み出して増幅する際に、一つの画素 11 (例えば、フォトダイオード PD )から の信号の読み出しと増幅が完了してから、次の画素 11 (例えば、フォトダイオード PD )の信号の読み出しが開始するまでの間に、当該画素ブロック 12用のリセットトラン [0128] When reading and amplifying n pixels 11 in the pixel block 12, that is, photodiode PD to PD force signals, reading and amplification of signals from one pixel 11 (for example, photodiode PD) are performed. After the completion, the reset transition for the pixel block 12 is started after the signal readout of the next pixel 11 (for example, the photodiode PD) starts.
2 2
ジスタ Tr を導通状態にすることによってリセット電圧 V をノード 14に一時的に印 The reset voltage V is temporarily applied to node 14 by turning on the transistor Tr.
RST RST RST RST
加し、もって当該ノード 14 (増幅トランジスタ Tr のゲート電極)を基準電位に設定  Therefore, the node 14 (the gate electrode of the amplification transistor Tr) is set to the reference potential.
AMP  AMP
する(リセットする)必要がある。これは、そうしないと、先の画素 11 (例えば、フォトダイ オード PD )からの信号の影響が残って次の画素 11 (例えば、フォトダイオード PD )  It is necessary to reset (reset). Otherwise, the influence of the signal from the previous pixel 11 (e.g. photodiode PD) remains and the next pixel 11 (e.g. photodiode PD)
1 2 力もの信号に誤差が生じる恐れがあるからである。  This is because there is a possibility that an error may occur in a signal with 1 or 2 power.
[0129] 当該画素ブロック 12中には n個のフォトダイオード PD〜PDがあるから、トランスフ ァゲート制御信号 φ 〜φ による読み出し動作の総回数は η回、増幅トランジスタ Τ [0129] Since there are n photodiodes PD to PD in the pixel block 12, the total number of read operations by the transfer gate control signals φ to φ is η, and the amplification transistor Τ
Tl Τη  Tl Τη
r による増幅動作の総回数は n回、増幅トランジスタ Tr のリセット動作の総回数 The total number of amplification operations by r is n, and the total number of reset operations of the amplification transistor Tr
AMP AMP AMP AMP
は (n— 1)回となる。  Is (n— 1) times.
[0130] 具体的に説明すると、例えば、最初に、当該画素ブロック 12の 1番目のトランスファ ゲート TGを一時的に導通状態にして、 1番目のフォトダイオード PDに蓄積された 信号電荷に比例する電圧信号をノード 14に読み出す。その電圧信号は直ちに増幅 トランジスタ Tr で増幅され、得られた増幅信号は列信号線 37に向けて送られる。  More specifically, for example, first, the first transfer gate TG of the pixel block 12 is temporarily turned on, and the voltage proportional to the signal charge accumulated in the first photodiode PD is set. Read the signal to node 14. The voltage signal is immediately amplified by the amplifying transistor Tr, and the obtained amplified signal is sent to the column signal line 37.
AMP  AMP
続いて、リセットトランジスタ Tr を一時的に導通状態にして、増幅トランジスタ Tr  Subsequently, the reset transistor Tr is temporarily turned on, and the amplification transistor Tr
RST AMP  RST AMP
のゲート電極 (ノード 14)を基準電位にリセットする。その後、 2番目のフォトダイオード PDに蓄積された信号電荷に比例する電圧信号をノード 14に読み出す。その電圧 Reset the gate electrode (node 14) to the reference potential. Thereafter, a voltage signal proportional to the signal charge accumulated in the second photodiode PD is read out to the node 14. Its voltage
2 2
信号は直ちに増幅トランジスタ Tr で増幅され、得られた増幅信号は列信号線 37  The signal is immediately amplified by the amplifying transistor Tr, and the obtained amplified signal is the column signal line 37.
AMP  AMP
に向けて送られる。続いて、リセットトランジスタ Tr を一時的に導通状態にして、増  Sent to. Subsequently, the reset transistor Tr is temporarily turned on and increased.
RST  RST
幅トランジスタ Tr のゲート電極 (ノード 14)を基準電位にリセットする。さら〖こ、 3番  Reset the gate electrode (node 14) of the width transistor Tr to the reference potential. Sarako, No. 3
AMP  AMP
目のフォトダイオード PD、 4番目のフォトダイオード PDというように、上記と同じ動作  Same operation as above for the photodiode PD of the eye and the photodiode PD of the fourth
3 4  3 4
が順に繰り返される。最後に、 n番目のフォトダイオード PDについての読み出し動作 と増幅動作を実行すると、当該画素ブロック 12についての処理が終了する。 [0131] 図 1のイメージセンサでは、当該画素ブロック 12に対応する増幅トランジスタ Tr Are repeated in order. Finally, when the reading operation and the amplifying operation for the nth photodiode PD are executed, the processing for the pixel block 12 is completed. In the image sensor of FIG. 1, the amplification transistor Tr corresponding to the pixel block 12
AMP  AMP
の出力端子が一つであるから、当該画素ブロック 12中の全フォトダイオード PD〜P D力も得られる n個の信号が、当該増幅トランジスタ Tr の出力端子側のソース'ド n AMP  Since there is only one output terminal, n signals from which all the photodiodes PD to PD in the pixel block 12 can also be obtained are connected to the source terminal n AMP on the output terminal side of the amplification transistor Tr.
レイン領域力も列信号線 37に向けて時系列的に順に出力される。つまり、当該画素 ブロック 12から出力される信号は、フォトダイオード PD〜PDの信号電荷の量(照 射された光の量)を反映する n個のパルス波形が所定間隔をあけて連結された一つ のシリアル信号となる。  The rain region force is also output in sequence toward the column signal line 37 in time series. In other words, the signal output from the pixel block 12 is a signal in which n pulse waveforms that reflect the amount of signal charges (the amount of irradiated light) of the photodiodes PD to PD are connected at a predetermined interval. One serial signal.
[0132] 上記イメージセンサは、合計で (k X m)個の画素ブロック 12を有するから、全画素 1 1が走査される間に、上述した動作が(k X m)回繰り返されることになる。  [0132] Since the image sensor has (k X m) pixel blocks 12 in total, the above-described operation is repeated (k X m) times while all the pixels 11 are scanned. .
[0133] 当該画素ブロック 12から出力される信号、すなわち、 n個の信号パルスが所定間隔 をあけて連結された一つのシリアル信号は、公知のサンプル'アンド'ホールド(Sampl e & Hold)回路やアナログ ·デジタル (AZD)変換回路に送られ、所定の信号処理が 行われる。  [0133] A signal output from the pixel block 12, that is, one serial signal in which n signal pulses are connected at a predetermined interval, is a known sample and hold circuit, The signal is sent to an analog-to-digital (AZD) conversion circuit and subjected to predetermined signal processing.
[0134] 現在の現実的な最高シャツタスピード (つまり最短の信号電荷蓄積期間)は(1Z80 00)秒( = 125 sec)である。したがって、(k X m)個の画素ブロック 12の各々につ いて、リセットトランジスタ Tr によるノード 14 (増幅トランジスタ Tr のゲート電極)  [0134] The current realistic maximum shatter speed (that is, the shortest signal charge accumulation period) is (1Z80 00) seconds (= 125 sec). Therefore, for each of (k X m) pixel blocks 12, node 14 (gate electrode of amplification transistor Tr) by reset transistor Tr
RST AMP  RST AMP
のリセット動作を必要回数 (つまり(n— 1)回)実行するのに要する時間(総リセット時 間)と、当該画素ブロック 12中の全画素 11 (全フォトダイオード PD〜PD )からの信 号を対応する増幅トランジスタ Tr で増幅するのに要する時間(総増幅時間)の和  Required to execute the reset operation for the required number of times (ie, (n-1) times) (total reset time) and the signal from all pixels 11 (all photodiodes PD to PD) in the pixel block 12 Of the time (total amplification time) required to amplify the signal with the corresponding amplification transistor Tr
AMP  AMP
を求め、その和の (k X m)倍の時間力 最短の信号電荷蓄積期間( = 125 sec)よ りも十分小さくなるように n値 (各画素ブロック 12中の画素 11の総数)を設定すれば、 全画素ブロック 12に属する画素 11 (フォトダイオード PD〜PD )についての信号電 荷の蓄積 (露光)が実質的に同時に行われることになる。換言すれば、全画素 11に ついての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能となる。  And set the n value (total number of pixels 11 in each pixel block 12) to be sufficiently smaller than the shortest signal charge accumulation period (= 125 sec). Then, accumulation (exposure) of signal charges for pixels 11 (photodiodes PD to PD) belonging to all pixel blocks 12 is performed substantially simultaneously. In other words, the signal charges for all the pixels 11 can be accumulated substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting).
[0135] また、全画素ブロック 12の各々力も独立して (k X m)個の出力シリアノレ信号が出力 されるので、これら出力シリアル信号に対してアナログ ·デジタル (AZD)変換等の処 理を並列して行うことができる。よって、従来の CMOSイメージセンサにおけるものよ りも高速でデータ処理が可能となる。これも、実質的同時シャツタ化の実現に貢献す るものである。 [0135] In addition, each force of all pixel blocks 12 outputs (k X m) output serial signals independently, so that these output serial signals are processed by analog-digital (AZD) conversion and the like. Can be done in parallel. Therefore, data processing can be performed at a higher speed than that in the conventional CMOS image sensor. This also contributes to the realization of practical simultaneous shirting. Is.
[0136] 上述した動作から明らかなように、 1フレーム内で見ると、各画素ブロック 12から出 力されるシリアル出力信号は、走査期間の終わりに近いものほど、当該走査期間の 始めに生成 '出力されたものよりも、わずかではあるが電荷蓄積期間が長くなる。この ため、いっそう忠実度の高い画像データを得たい場合や、 n値を大きくしたい場合は 、電荷蓄積期間の変化に応じた信号補正を行う公知の回路を後段に設けてもよい。 そうすれば、電荷蓄積期間の変動の影響を抑制あるいは回避することができるからで ある。  [0136] As is apparent from the above-described operation, when viewed within one frame, the serial output signal output from each pixel block 12 is generated at the beginning of the scanning period as the closer to the end of the scanning period, ' The charge accumulation period is slightly longer than the output one. For this reason, when it is desired to obtain image data with higher fidelity or to increase the n value, a known circuit that performs signal correction in accordance with the change in the charge accumulation period may be provided in the subsequent stage. This is because the influence of fluctuations in the charge accumulation period can be suppressed or avoided.
[0137] このようにして実質的に同時シャツタ化が可能となることにより、従来の CMOSィメ ージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像する ことがでさるよう〖こなる。  [0137] In this way, it becomes possible to capture a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor by enabling simultaneous shirting. .
[0138] さらに、各画素ブロック 12に対して、当該画素ブロック 12の外側に共通のリセットト ランジスタ Tr と共通の増幅トランジスタ Tr が設けられているため、当該画素ブ  Furthermore, since each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
RST AMP  RST AMP
ロック 12中の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(MOSトランジ スタ)を含むだけで済む。したがって、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つ な!、し四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高!ヽ 画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができる。  Each pixel 11 in the lock 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, in addition to the photodiode in one pixel, there are three! Compared with a conventional CMOS image sensor including four MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized.
[0139] なお、従来の CMOSイメージセンサでは、走査線の数に応じて信号処理がシリア ルに行われるため、高速の AZD変換回路が必要である力 この第 1実施形態のセ ンサ回路 1を用 、たイメージセンサでは、 n値を走査線数よりも小さく設定して並列度 を上げることにより、増幅トランジスタ Tr の各々のシリアル出力信号の処理速度を Note that in the conventional CMOS image sensor, since signal processing is performed serially according to the number of scanning lines, the power required for a high-speed AZD conversion circuit is required. The sensor circuit 1 of the first embodiment is In image sensors, the processing speed of each serial output signal of the amplifying transistor Tr is increased by increasing the parallelism by setting the n value to be smaller than the number of scanning lines.
AMP  AMP
遅くすることが可能となる。このため、より簡単な構成の AZD変換回路を使用できる という効果もある。  It becomes possible to slow down. For this reason, there is an effect that an AZD conversion circuit having a simpler configuration can be used.
[0140] また、 n個のフォトダイオード PD〜PD力 の n個の出力信号力 シリアルに連結さ れた形態で増幅トランジスタ Tr の各々カゝら出力されるため、増幅トランジスタ Tr  [0140] In addition, n output signal powers of n photodiodes PD to PD force are output from each of the amplification transistors Tr in a serially connected form, so that the amplification transistor Tr
AMP AM  AMP AM
の各々の出力端子に接続される次段の配線が簡単になるという効果もある。  There is also an effect that the next-stage wiring connected to each of the output terminals is simplified.
P  P
[0141] (第 2実施形態)  [0141] (Second Embodiment)
図 3は、本発明の第 2実施形態に係るセンサ回路 1Aの構成を示す回路図である。 このセンサ回路 1Aが使用されるアドレス指定型イメージセンサの全体構成は、図 1に 示したものと同じであるから、その説明は省略する。このセンサ回路 1Aは本発明の第 1の観点によるセンサ回路に対応する。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1A according to the second embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using this sensor circuit 1A is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted. This sensor circuit 1A corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
[0142] 図 3に示すセンサ回路 1Aの回路構成は、第 1実施形態に係るセンサ回路 1 (図 2を 参照)の回路構成とほぼ同じであり、各画素ブロック 12に対して設けられた増幅トラン ジスタ Tr の出力側に、記憶用容量素子 C と出力トランジスタ Tr が追加されて[0142] The circuit configuration of the sensor circuit 1A shown in FIG. 3 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1 according to the first embodiment (see FIG. 2), and the amplification provided for each pixel block 12 A storage capacitor C and an output transistor Tr are added to the output side of the transistor Tr.
AMP ST OUT AMP ST OUT
いる点で異なるのみである。したがって、図 2のセンサ回路 1と同一の要素には同一 の符号を付してその説明を省略する。  The only difference is that Therefore, the same elements as those of the sensor circuit 1 in FIG.
[0143] 記憶用容量素子 C は、対応する増幅トランジスタ Tr で増幅された信号を一時 [0143] The storage capacitor element C temporarily receives the signal amplified by the corresponding amplification transistor Tr.
ST AMP  ST AMP
的に記憶するためのもので、その一方の端子は当該増幅トランジスタ Tr の出力側  One terminal is the output side of the amplifying transistor Tr
AMP  AMP
のソース ·ドレイン領域に接続され、他方の端子は所定電位 (通常は接地電位)の端 子または領域に接続されて 、る。  The other terminal is connected to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential).
[0144] 出力トランジスタ Tr は、当該記憶用容量素子 C に一時的に記憶せしめられた [0144] The output transistor Tr was temporarily stored in the storage capacitor C.
OUT ST  OUT ST
信号を対応する列信号線 37に送出するためのもので、その出力側のソース'ドレイン 領域は当該画素ブロック 12の出力端子 (列信号線 37)に接続されている。出カトラン ジスタ Tr は、そのゲート電極に印加される出力制御信号 φ の論理状態を Hに  The signal is sent to the corresponding column signal line 37, and the output side source / drain region is connected to the output terminal (column signal line 37) of the pixel block 12. The output transistor Tr sets the logic state of the output control signal φ applied to its gate electrode to H.
OUT OUT  OUT OUT
することによって導通状態となり、 Uこすることによって遮断状態となる。したがって、 記憶用容量素子 C に一時的に記憶せしめられた信号を列信号線 37に出力する際  By doing this, it becomes conductive, and by rubbing it, it becomes cut-off. Therefore, when the signal temporarily stored in the storage capacitor C is output to the column signal line 37,
ST  ST
に、出力トランジスタ Tr は、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGの開  In addition, the output transistor Tr opens the transfer gates TG to TG in the pixel block 12.
OUT 1 n 閉とは異なるタイミングで開閉されることが可能である。  It can be opened and closed at a different timing from OUT 1 n closing.
[0145] 上述した第 1実施形態のセンサ回路 1を用いたイメージセンサでは、対応する画素 ブロック 12中の n個のフォトダイオード PD〜PD力 のシリアル出力信号は、増幅ト ランジスタ Tr で増幅された後に直ちに列信号線 37に向けて出力される。これに In the image sensor using the sensor circuit 1 of the first embodiment described above, the serial output signals of the n photodiodes PD to PD force in the corresponding pixel block 12 are amplified by the amplification transistor Tr. Immediately after that, it is output toward the column signal line 37. to this
AMP  AMP
対し、第 2実施形態のセンサ回路 2を用いたイメージセンサでは、画素ブロック 12中 の n個のフォトダイオード PD〜PDからのシリアル出力信号は、増幅トランジスタ Tr  On the other hand, in the image sensor using the sensor circuit 2 of the second embodiment, the serial output signals from the n photodiodes PD to PD in the pixel block 12 are the amplification transistors Tr.
I n A で増幅された後に記憶用容量素子 c に一時的に記憶されるため、出力制御信 After being amplified by I n A, it is temporarily stored in the storage capacitor element c.
MP ST MP ST
号 φ によって、当該フォトダイオード PD〜PDからの信号の読み出しのためのト The signal φ is used to read signals from the photodiodes PD to PD.
OUT 1 n OUT 1 n
ランスファゲート TG〜TGの開閉とはタイミングをずらして、列信号線 37に向けて出 力させることができる。 The opening and closing of the transfer gates TG to TG are shifted in timing and output toward the column signal line 37. You can make it stronger.
[0146] 以上の構成を持つ第 2実施形態に係るセンサ回路 1Aを備えたイメージセンサでは 、第 1実施形態の場合と同様の理由により、全画素 11についての信号電荷の実質的 同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能となる。また、このようにして実質的同時シ ャッタ化が可能となることにより、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを 生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができるようになる。  In the image sensor including the sensor circuit 1A according to the second embodiment having the above configuration, the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots). In addition, since it is possible to make a substantially simultaneous shutter in this way, it is possible to image a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0147] また、各画素ブロック 12に対して、当該画素ブロック 12の外側に共通のリセットトラ ンジスタ Tr と共通の増幅トランジスタ Tr が設けられているため、当該画素ブロッ  Further, since each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
RST AMP  RST AMP
ク 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(MOSトランジスタ)を 含むだけで済む。したがって、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つないし 四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画素開 口率を実現することができる。  Each pixel 11 in the gate 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel opening ratio can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
[0148] さらに、出力制御信号 φ により、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜T Furthermore, the transfer gates TG to T in the pixel block 12 are controlled by the output control signal φ.
OUT 1 OUT 1
Gの開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することができるため、 第 1実施形態のセンサ回路 1を用いた場合よりも高速の撮像が可能であるという効果 もめる。 Since the signal can be output to the column signal line 37 at a different timing from the opening and closing of G, there is also an effect that imaging can be performed at a higher speed than when the sensor circuit 1 of the first embodiment is used.
[0149] (第 3実施形態)  [0149] (Third embodiment)
図 4は、本発明の第 3実施形態に係るセンサ回路 1Bの構成を示す回路図である。 このセンサ回路 1Bが使用されるアドレス指定型イメージセンサの全体構成は、図 1に 示したものと同じであるから、その説明は省略する。このセンサ回路 1Bは本発明の第 1の観点によるセンサ回路に対応する。  FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1B according to the third embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using this sensor circuit 1B is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted. This sensor circuit 1B corresponds to the sensor circuit according to the first aspect of the present invention.
[0150] 図 4に示すセンサ回路 1Bの回路構成は、第 1実施形態に係るセンサ回路 1 (図 2を 参照)の回路構成とほぼ同じであり、各画素ブロック 12に対して設けられた増幅トラン ジスタ Tr の出力側のソース'ドレイン領域に、 n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr [0150] The circuit configuration of the sensor circuit 1B shown in FIG. 4 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1 (see FIG. 2) according to the first embodiment, and the amplification provided for each pixel block 12 N select transistors Tr to Tr in the source and drain regions on the output side of the transistor Tr
AMP SEL1 SEAMP SEL1 SE
(第 2ゲート素子)が並列に接続されていて、増幅された n個のフォトダイオード PD(Second gate element) connected in parallel and amplified n photodiodes PD
Ln 1Ln 1
〜PD力 の n個の出力信号力 選択トランジスタ Tr 〜Tr を介して並列的に n SEL1 SELn N output signal force of PD force Select transistor Tr n In parallel via Tr n SEL1 SELn
列信号線 37に出力される点で異なるのみである。選択トランジスタ Tr 〜Tr は  The only difference is that it is output to the column signal line 37. Select transistors Tr to Tr
SEL1 SELn SEL1 SELn
、それぞれ、ゲート電極に印加される出力選択信号 φ 〜 φ の論理状態を Hに The logic states of the output selection signals φ to φ applied to the gate electrodes are set to H, respectively.
SEL1 SELn することによって導通状態となり、 Uこすることによって遮断状態となる。したがって、 図 2のセンサ回路 1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。 SEL1 SELn By doing this, it becomes conductive, and by rubbing it, it becomes cut-off. Therefore, the same elements as those of the sensor circuit 1 in FIG.
[0151] n個のフォトダイオード PD〜PDに生成'蓄積された信号電荷に対応する信号を 読み出して増幅する際に、 n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr は、対応する画素 [0151] When reading and amplifying a signal corresponding to the signal charge generated and accumulated in n photodiodes PD to PD, n selection transistors Tr to Tr correspond to corresponding pixels.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGとほぼ同期して開閉される。すなわち、 例えば、フォトダイオード PD力もの信号を読み出して増幅する際には、トランスファ ゲート TGが開かれる(導通状態とされる)が、それとほぼ同期して選択トランジスタ T r が開かれる(導通状態とされる)ので、読み出されたその信号電荷は、増幅トラン It is opened and closed almost synchronously with the transfer gates TG to TG in block 12. That is, for example, when a signal having a photodiode PD power is read out and amplified, the transfer gate TG is opened (becomes conductive), but the selection transistor Tr is opened (conducting state is substantially synchronized). Therefore, the read signal charge is
SEL1 SEL1
ジスタ Tr で増幅された後に直ちに選択トランジスタ Tr を介して列信号線 37に Immediately after being amplified by the transistor Tr, the column signal line 37 is passed through the selection transistor Tr.
AMP SEL1 AMP SEL1
向けて出力される。  Is output.
[0152] 以上の構成を持つ第 3実施形態に係るセンサ回路 1Bを備えたイメージセンサでは 、第 1実施形態の場合と同様の理由により、全画素 11についての信号電荷の実質的 同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能となる。また、このようにして実質的同時シ ャッタ化が可能となることにより、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを 生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像することができるようになる。  [0152] In the image sensor including the sensor circuit 1B according to the third embodiment having the above configuration, the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots). In addition, since it is possible to make a substantially simultaneous shutter in this way, it is possible to image a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0153] さらに、各画素ブロック 12に対して、当該画素ブロック 12の外側に共通のリセットト ランジスタ Tr と共通の増幅トランジスタ Tr が設けられているため、当該画素ブ  Furthermore, since each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
RST AMP  RST AMP
ロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(MOSトランジス タ)を含むだけで済む。したがって、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つな いし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画 素開口率を実現することができる。  Each pixel 11 of the lock 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel aperture ratio can be realized compared to a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
[0154] なお、増幅された n個のフォトダイオード PD〜PD力 の n個の出力信号力 対応 する n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr を介して並列的に列信号線 37に向けて Note that n output signal forces of n photodiodes PD to PD forces that have been amplified are directed to the column signal line 37 in parallel via the corresponding n select transistors Tr to Tr.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
出力されるので、次段の信号処理が迅速に行えるという効果もある。  Since it is output, there is also an effect that signal processing of the next stage can be performed quickly.
[0155] (第 4実施形態) [0155] (Fourth embodiment)
図 5は、本発明の第 4実施形態に係るセンサ回路 1Cの構成を示す回路図である。 このセンサ回路 1Cが使用されるアドレス指定型イメージセンサの全体構成は、図 1に 示したものと同じであるから、その説明は省略する。このセンサ回路 1Cは本発明の第 1の観点によるセンサ回路に対応する。 FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor circuit 1C according to the fourth embodiment of the present invention. Since the entire configuration of the addressing type image sensor using the sensor circuit 1C is the same as that shown in FIG. 1, its description is omitted. This sensor circuit 1C is the first of the present invention. It corresponds to the sensor circuit from the viewpoint of 1.
[0156] 図 5に示すセンサ回路 1Cの回路構成は、第 3実施形態に係るセンサ回路 1B (図 4 を参照)の回路構成とほぼ同じであり、各画素ブロック 12に対して設けられた増幅トラ ンジスタ Tr の出力側に、 n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr (第 2ゲート素子) The circuit configuration of the sensor circuit 1C shown in FIG. 5 is substantially the same as the circuit configuration of the sensor circuit 1B according to the third embodiment (see FIG. 4), and the amplification provided for each pixel block 12 N selection transistors Tr to Tr (second gate element) on the output side of the transistor Tr
AMP SEL1 SELn が並列に接続され、さらに、それら選択トランジスタ Tr 〜Tr の出力側に、 n個  AMP SEL1 SELn are connected in parallel, and n transistors are connected to the output side of the selection transistors Tr to Tr.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
の記憶用容量素子 C 〜C と n個の出力トランジスタ Tr 〜Tr が追加され  Storage capacitors C to C and n output transistors Tr to Tr are added.
ST1 STn OUT1 OUTn  ST1 STn OUT1 OUTn
ている点で異なるのみである。したがって、図 4のセンサ回路 1Cと同一の要素には同 一の符号を付してその説明を省略する。  The only difference is that Therefore, the same elements as those of the sensor circuit 1C in FIG.
[0157] 記憶用容量素子 C 〜C は、増幅トランジスタ Tr で増幅された n個のフォトダ [0157] The storage capacitor elements C to C include n photodiodes amplified by the amplification transistor Tr.
ST1 STn AMP  ST1 STn AMP
ィオード PD〜PD力 の信号をそれぞれ一時的に記憶するためのもので、それら の一方の端子は対応する選択トランジスタ Tr 〜Tr の出力側のソース'ドレイン  This is to temporarily store the PD PD to PD force signals, one of which is the source-drain on the output side of the corresponding selection transistor Tr to Tr.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
領域にそれぞれ接続され、他方の端子は所定電位 (通常は接地電位)の端子または 領域に接続されている。  The other terminal is connected to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential).
[0158] 出力トランジスタ Tr 〜Tr は、当該記憶用容量素子 C 〜C に一時的に [0158] The output transistors Tr to Tr are temporarily connected to the storage capacitors C to C.
OUT1 OUTn ST1 STn  OUT1 OUTn ST1 STn
記憶せしめられた信号を対応する列信号線 37に並列に送出するためのもので、そ れらの出力側のソース'ドレイン領域は当該画素ブロック 12の出力端子 (列信号線 3 7)に接続されている。出力トランジスタ Tr 〜Tr は、それらのゲート電極に印  The stored signal is sent in parallel to the corresponding column signal line 37, and the source and drain regions on the output side are connected to the output terminal (column signal line 37) of the pixel block 12. Has been. The output transistors Tr to Tr are marked on their gate electrodes.
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
加される出力制御信号 φ 〜Φ Γ の論理状態を Ηにすることによって導通状態  The conduction state is established by setting the logic state of the applied output control signal φ to Φ Γ to Η
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
となり、 Uこすることによって遮断状態となる。記憶用容量素子 c 〜 一時的  It becomes the interruption state by rubbing U. Memory capacitor c ~ Temporary
ST1 c に  ST1 c
STn  STn
に記憶せしめられた増幅信号を列信号線 37に並列出力する際に、出力トランジスタ Tr 〜Tr は、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGの開閉とは異 When the amplified signal stored in is output to the column signal line 37 in parallel, the output transistors Tr to Tr are different from the open / close states of the transfer gates TG to TG in the pixel block 12.
OUTl OUTn 1 n OUTl OUTn 1 n
なるタイミングで開閉されることが可能である。  It is possible to open and close at the timing.
[0159] 上述した第 3実施形態のセンサ回路 1Bを用いたイメージセンサでは、対応する画 素ブロック 12中の n個のフォトダイオード PD〜PDからの n個の出力信号は、増幅ト ランジスタ Tr で増幅された後に直ちに列信号線 37に向けて並列出力される。こ  In the image sensor using the sensor circuit 1B of the third embodiment described above, n output signals from the n photodiodes PD to PD in the corresponding pixel block 12 are amplified by the transistor Tr. Immediately after being amplified, the signals are output in parallel toward the column signal line 37. This
AMP  AMP
れに対し、第 4実施形態のセンサ回路 1Cを用いたイメージセンサでは、画素ブロック 12中の n個のフォトダイオード PD〜PDからの出力信号は、増幅トランジスタ Tr  On the other hand, in the image sensor using the sensor circuit 1C of the fourth embodiment, the output signals from the n photodiodes PD to PD in the pixel block 12 are amplified transistors Tr.
1 n AMP で増幅された後に記憶用容量素子 c 〜c にそれぞれ一時的に記憶されるため  After being amplified by 1 n AMP, it is temporarily stored in storage capacitors c to c, respectively.
ST1 STn 、出力制御信号 φ 〜φ によって、当該フォトダイオード PD〜PD力 の信 ST1 STn In response to the output control signal φ to φ, the photodiode PD to PD force
OUTl OUTn 1 η  OUTl OUTn 1 η
号の読み出しのためのトランスファゲート TG〜TGの開閉とはタイミングをずらして、 列信号線 37に向けて並列出力させることができる。  The transfer gates for reading the signals can be output in parallel toward the column signal line 37 at different timings from the opening and closing of the transfer gates TG to TG.
[0160] 以上の構成を持つ第 4実施形態に係るセンサ回路 1Cを備えたイメージセンサでは 、第 1実施形態の場合と同様の理由により、全画素 11についての信号電荷の実質的 同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能となる。また、このようにして同時シャツタイ匕 が可能となることにより、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じるこ となぐ高速で移動する被写体を撮像することができるようになる。  [0160] In the image sensor including the sensor circuit 1C according to the fourth embodiment having the above-described configuration, the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially) for the same reason as in the first embodiment. Simultaneous simultaneous shots). In addition, since simultaneous shirt tying is possible in this manner, it is possible to image a subject that moves at a high speed that causes image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0161] また、各画素ブロック 12に対して、当該画素ブロック 12の外側に共通のリセットトラ ンジスタ Tr と共通の増幅トランジスタ Tr が設けられているため、当該画素ブロッ  [0161] Also, since each pixel block 12 is provided with a common reset transistor Tr and a common amplification transistor Tr outside the pixel block 12, the pixel block 12
RST AMP  RST AMP
ク 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(MOSトランジスタ)を 含むだけで済む。したがって、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つないし 四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画素開 口率を実現することができる。  Each pixel 11 in the gate 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Therefore, a higher pixel opening ratio can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel.
[0162] さらに、出力制御信号 φ 〜φ により、画素ブロック 12中のトランスファゲート [0162] Furthermore, transfer gates in the pixel block 12 are controlled by the output control signals φ to φ.
OUTl OUTn  OUTl OUTn
TG〜TGの開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することができ るため、第 3実施形態のセンサ回路 1Bを用いた場合よりも高速の撮像が可能である という効果もある。  Since the signal can be output to the column signal line 37 at a different timing from the opening / closing of TG to TG, it is possible to take an image at a higher speed than when the sensor circuit 1B of the third embodiment is used. is there.
[0163] (第 5実施形態)  [0163] (Fifth embodiment)
図 6は、本発明の第 5実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2の要部の回 路構成を示す回路図であり、図 8はそのイメージセンサ 2の実際構造を示す要部断 面図である。このイメージセンサ 2は、上述した第 3実施形態のセンサ回路 1B (図 4参 照)を使用したものであり、上位半導体回路層 21と下位半導体回路層 22を積層して 二段の三次元積層構造とされている。このイメージセンサ 2は、本発明の第 3の観点 によるイメージセンサに対応する。  FIG. 6 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2 according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2. It is. This image sensor 2 uses the sensor circuit 1B of the third embodiment described above (see FIG. 4). The upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured. This image sensor 2 corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0164] イメージセンサ 2の全体構成及び動作は、図 1に示したものと同じであるから、それ らに関する説明は省略する。また、図 6の回路構成は、図 4に示した第 3実施形態の センサ回路 1B (各増幅トランジスタ Tr の出力端に n個の選択トランジスタ Tr 〜 Tr が接続されており、記憶用容量素子と出力トランジスタは有しないもの)と同じ[0164] Since the overall configuration and operation of the image sensor 2 are the same as those shown in FIG. 1, the description thereof will be omitted. In addition, the circuit configuration of FIG. 6 is the same as that of the sensor circuit 1B of the third embodiment shown in FIG. Tr is connected and does not have a storage capacitor and output transistor)
SELn SELn
であるから、同一の要素に同一の符号を付してその説明は省略する。ただし、ィメー ジセンサ 2では、後述するように、上位半導体回路層 21中に形成された各画素ブロッ ク 12の共通ノード 13と、下位半導体回路層 22中に形成されたリセットトランジスタ Tr  Therefore, the same symbols are attached to the same elements, and the description thereof is omitted. However, in the image sensor 2, as described later, the common node 13 of each pixel block 12 formed in the upper semiconductor circuit layer 21 and the reset transistor Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22 are used.
R  R
及び増幅トランジスタ Tr の接続点であるノード 14とを電気的に接続するために And the node 14 which is the connection point of the amplification transistor Tr
ST AMP ST AMP
、公知の埋込配線 23を使用していることから、埋込配線 23と、当該埋込配線 23によ つて生じる寄生抵抗 Rと寄生容量 C 及び C が図 6に追加されている。埋込配線 23  Since the known embedded wiring 23 is used, the embedded wiring 23 and the parasitic resistance R and parasitic capacitances C and C generated by the embedded wiring 23 are added to FIG. Embedded wiring 23
0 01 02  0 01 02
は、各画素ブロック 12 (つまり、 n個の画素 11)に対して一つ設けられている。  Is provided for each pixel block 12 (that is, n pixels 11).
[0165] 次に、図 8を参照しながら、イメージセンサ 2の実際構造について説明する。 [0165] Next, the actual structure of the image sensor 2 will be described with reference to FIG.
[0166] イメージセンサ 2は、図 8から明らかなように、上位半導体回路層 21と下位半導体回 路層 22とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 (例えば、インジウム (In)と金 (Au)の 積層体、あるいはタングステン (W)等カゝらなる) 90と、電気的絶縁性の接着剤(例え ばポリイミド) 91とを用いて、機械的且つ電気的に接続して構成されている。 As is apparent from FIG. 8, the image sensor 2 includes an upper semiconductor circuit layer 21 and a lower semiconductor circuit layer 22, embedded wiring 23, fine bump electrodes (for example, indium (In) and gold ( Au) laminate, or tungsten (W), etc.) 90 and an electrically insulating adhesive (eg, polyimide) 91, and mechanically and electrically connected. Yes.
[0167] なお、埋込配線 23及びバンプ電極 90を形成する方法と、上位半導体回路層 21と 下位半導体回路層 22を接着剤 91を用いて機械的接続する方法としては、当業界に 公知のものを用いることができるから、それらに関する説明は省略する。 Note that a method for forming the embedded wiring 23 and the bump electrode 90 and a method for mechanically connecting the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 using an adhesive 91 are known in the art. Since those can be used, the description about them is omitted.
[0168] 上位半導体回路層 21には、(k X m)個の画素ブロック 12、つまり(k X n) X m個の 画素 11が形成されている。したがって、上位半導体回路層 21は、(k X n) X m個の フォトダイオード(すなわち、(k X m)組のフォトダイオード群 PD 〜PD )と、(k X n) X m個のトランスファゲート(すなわち、(k X m)組のトランスファゲート群 TG 〜TG ) を含んでいる。上位半導体回路層 21には、さらに、(k X m)個の埋込配線 23が形成 されている。 In the upper semiconductor circuit layer 21, (k X m) pixel blocks 12, that is, (k X n) X m pixels 11 are formed. Therefore, the upper semiconductor circuit layer 21 includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD) and (k X n) X m transfer gates. (That is, (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG). In the upper semiconductor circuit layer 21, (k × m) embedded wirings 23 are further formed.
[0169] 下位半導体回路層 22には、(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と、(k X m)個の  [0169] The lower semiconductor circuit layer 22 includes (k X m) reset transistors Tr and (k X m)
RST  RST
増幅トランジスタ Tr と、(k X n) X m個の選択トランジスタ(すなわち、(k X m)組の  Amplifying transistor Tr and (k X n) X m select transistors (ie, (k X m) pairs
AMP  AMP
選択トランジスタ群 Tr 〜Tr )が形成されて!ヽる。  A selection transistor group Tr-Tr) is formed!
SEL1 SELn  SEL1 SELn
[0170] 上位半導体回路層 21では、 p型の単結晶シリコン (Si)基板 40の表面領域に、所定 ノターンで素子分離絶縁膜 41が形成されており、それによつて図 1のレイアウトとなる ように、(k X n) X m個の画素 11用の素子領域がマトリックス状に並んで形成されて いる。それら素子領域の各々がーつの画素 11に対応する。画素ブロック 12の構成は すべて同一であるから、ここでは一つの画素ブロック 12 (i, j)について説明する。 [0170] In the upper semiconductor circuit layer 21, the element isolation insulating film 41 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal silicon (Si) substrate 40, so that the layout of FIG. 1 is obtained. In addition, element regions for (k X n) X m pixels 11 are formed in a matrix. Yes. Each of these element regions corresponds to one pixel 11. Since all the pixel blocks 12 have the same configuration, only one pixel block 12 (i, j) will be described here.
[0171] 画素ブロック 12 (i, j)に対応する素子領域の内部には、 n個のフォトダイオード PD 〜PDと n個のトランスファゲート TG〜TGが形成されている。例えば、フォトダイォ ード PDは、図 8に示すように、 p型基板 40に形成された n+形領域 42から構成される (つまり、フォトダイオード PDは p—n接合フォトダイオードである)。トランスファゲート TGは、ゲート電極 44と、このゲート電極 44を挟んで n+形領域 42に対向している n+ 形領域 43とを含む MOSトランジスタによって形成されている。トランスファゲート TG は、フォトダイオード PDの n+形領域 42を共用しているため、トランスファゲート TG の一方のソース'ドレイン領域力 フォトダイオード PDのアノードと電気的に接続され ていること〖こなる。ゲート電極 44と基板 40の表面の間に存在するゲート絶縁膜は、図 8では省略している。(ゲート電極 44と基板 40の表面の間のゲート絶縁膜の存在は 自明であるから、以下の説明においても、ゲート絶縁膜に関する説明は省略する。 ) ゲート電極 44は、基板 40の表面に形成された配線構造 47中の配線を介して、対応 する読出制御線 32に電気的に接続されている。ここで、配線構造 47には、基板 40 の表面に形成された配線用導電体とそれを包含する絶縁体とを含み、基板 40の表 面に存在するゲート絶縁膜とゲート電極を含まない。(これは、以下の実施形態でも 同様である。)他のフォトダイオード PD〜PDとトランスファゲート TG〜TGは、そ [0171] In the element region corresponding to the pixel block 12 (i, j), n photodiodes PD to PD and n transfer gates TG to TG are formed. For example, as shown in FIG. 8, the photodiode PD is composed of an n + type region 42 formed on the p-type substrate 40 (that is, the photodiode PD is a p-n junction photodiode). The transfer gate TG is formed of a MOS transistor including a gate electrode 44 and an n + type region 43 facing the n + type region 42 with the gate electrode 44 interposed therebetween. Since the transfer gate TG shares the n + type region 42 of the photodiode PD, one source / drain region force of the transfer gate TG is electrically connected to the anode of the photodiode PD. The gate insulating film existing between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is omitted in FIG. (Since the existence of the gate insulating film between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is self-explanatory, the description of the gate insulating film is omitted in the following description as well.) The gate electrode 44 is formed on the surface of the substrate 40. The wiring structure 47 is electrically connected to the corresponding read control line 32 via the wiring. Here, the wiring structure 47 includes a wiring conductor formed on the surface of the substrate 40 and an insulator including the conductor, and does not include a gate insulating film and a gate electrode existing on the surface of the substrate 40. (This also applies to the following embodiments.) Other photodiodes PD to PD and transfer gates TG to TG
2 n 2 n れぞれ、フォトダイオード PDとトランスファゲート TGと同様の構成を持つ。  2 n 2 n Each has the same configuration as the photodiode PD and transfer gate TG.
[0172] 配線構造 47の内部には、所定パターンで形成された配線膜 46と、その配線膜 46 に対してトランスファゲート TG〜TGの n個の n+形領域 43を電気的に接続する n個 の導電性コンタクトプラグ 45とが形成されている。画素ブロック 12 (i, j)中の n個のトラ ンスファゲート TG〜TGは、それらコンタクトプラグ 45によって、配線膜 46にそれぞ れ電気的に接続されているから、トランスファゲート TG〜TGは共通ノード 13に並 列に接続されていることになる。 [0172] Inside the wiring structure 47, there are a wiring film 46 formed in a predetermined pattern, and n n + -type regions 43 of the transfer gates TG to TG are electrically connected to the wiring film 46. The conductive contact plug 45 is formed. Since the n transfer gates TG to TG in the pixel block 12 (i, j) are electrically connected to the wiring film 46 by the contact plugs 45, the transfer gates TG to TG are common nodes. 13 is connected in parallel.
[0173] 基板 40には、トランスファゲート TG〜TGの n+型領域(ソース'ドレイン領域) 43 に隣接する素子分離絶縁膜 41と重なる位置に、素子分離絶縁膜 41と基板 40を上 下方向に(基板 40の主面に直交する方向に)貫通する(k X m)個の透孔が形成され ている。この透孔の基板 40の Si部分に接する部分の内壁の全面は、絶縁膜 24で覆 われている。この透孔の内部(絶縁膜 24の内側と素子分離絶縁膜 41の内部)には、 ポリシリコン等の導電性材料が充填されており、その導電性材料が埋込配線 23を形 成する。この埋込配線 23の上端は、基板 40 (素子分離絶縁膜 41)の表面力も露出し ており、配線構造 47の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 23aの下端に接続さ れている。この導電性コンタクトプラグ 23aの上端は、配線構造 47の内部に形成され た配線膜 46に接続されている。したがって、埋込配線 23は、導電性コンタクトプラグ 23aを介して対応する配線膜 46に電気的に接続されている。その結果、画素ブロッ ク 12 (i, j)の n個のトランスファゲート TG〜TGの n+型領域(ソース'ドレイン領域) 4 3は、図 6に示した回路構成のように、対応する埋込配線 23に電気的に共通接続さ れていることになる。各埋込配線 23の下端は、基板 40の裏面力も露出していて、そ の下端にぉ ヽて対応するバンプ電極 90に機械的 ·電気的に接続されて!、る。 [0173] In the substrate 40, the element isolation insulating film 41 and the substrate 40 are arranged in the up and down direction so as to overlap with the element isolation insulating film 41 adjacent to the n + type regions (source and drain regions) 43 of the transfer gates TG to TG. (K X m) through-holes are formed (in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 40). ing. The entire inner wall of the portion of the through hole that contacts the Si portion of the substrate 40 is covered with an insulating film 24. The inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material such as polysilicon, and the conductive material forms the embedded wiring 23. The upper end of the embedded wiring 23 also exposes the surface force of the substrate 40 (element isolation insulating film 41), and is connected to the lower end of the conductive contact plug 23a formed inside the wiring structure 47. The upper end of the conductive contact plug 23 a is connected to a wiring film 46 formed inside the wiring structure 47. Therefore, the embedded wiring 23 is electrically connected to the corresponding wiring film 46 through the conductive contact plug 23a. As a result, the n + type regions (source and drain regions) 43 of the n transfer gates TG to TG of the pixel block 12 (i, j) are correspondingly embedded as in the circuit configuration shown in FIG. The wiring 23 is electrically connected in common. At the lower end of each embedded wiring 23, the back surface force of the substrate 40 is also exposed, and mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 across the lower end!
[0174] 下位半導体回路層 22では、 p型の単結晶 Si基板 60の表面領域に、所定パターン で素子分離絶縁膜 61が形成されており、それによつて所定数のリセットトランジスタ T r 用の素子領域と、所定数の増幅トランジスタ Tr 用の素子領域と、所定数の選[0174] In the lower semiconductor circuit layer 22, an element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, whereby a predetermined number of elements for the reset transistor T r are formed. Region, element region for a predetermined number of amplification transistors Tr, and a predetermined number of elements.
RST AMP RST AMP
択トランジスタ Tr 〜Tr 用の素子領域が形成されている。ここでは一つの画素  Element regions for the select transistors Tr to Tr are formed. Here one pixel
SEL1 SELn  SEL1 SELn
ブロック 12 (i, j)に対応する構成について説明する。  The configuration corresponding to block 12 (i, j) will be described.
[0175] 図 8に示すように、リセットトランジスタ Tr は、ゲート電極 63と、このゲート電極 63 As shown in FIG. 8, the reset transistor Tr includes a gate electrode 63 and the gate electrode 63.
RST  RST
を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 62とを含む MO Sトランジスタカゝら構成されている。ゲート電極 63は、基板 60の表面に形成された配 線構造 74中の配線を介して、対応するリセット線 31に電気的に接続されている。ここ で、配線構造 74は、基板 60の表面に形成された配線用導電体とそれを包含する絶 縁体とを含み、基板 60の表面に存在するゲート絶縁膜とゲート電極を含まない (これ は、以下の実施形態でも同様である)。一方の n+形領域 62 (ソース'ドレイン領域)は 、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 68と配線膜 72と導電性コ ンタクトプラグ 74aと配線膜 75を介して、対応するバンプ電極 90に電気的に接続され ている。その結果、リセットトランジスタ Tr の一方のソース'ドレイン領域は、対応す  And a pair of n + -type regions (source and drain regions) 62 formed on both sides of the MOS transistor. The gate electrode 63 is electrically connected to the corresponding reset line 31 via the wiring in the wiring structure 74 formed on the surface of the substrate 60. Here, the wiring structure 74 includes a wiring conductor formed on the surface of the substrate 60 and an insulating body that includes the wiring conductor, and does not include a gate insulating film and a gate electrode existing on the surface of the substrate 60 (this). The same applies to the following embodiments). One n + type region 62 (source / drain region) has a corresponding bump through the conductive contact plug 68, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed in the wiring structure 74. Electrically connected to electrode 90. As a result, one source 'drain region of the reset transistor Tr corresponds to the corresponding one.
RST  RST
る埋込配線 23を介して、上位半導体回路層 21の対応する共通ノード 13 (画素ブロッ ク 12 (i, j) )に電気的に接続されていることになる(図 6参照)。他方の n+形領域 62 ( ソース'ドレイン領域)には、図示しない配線を介してリセット電圧 V が印加される。 The corresponding common node 13 (pixel block) of the upper semiconductor circuit layer 21 through the embedded wiring 23 12 (i, j)) (see Fig. 6). The reset voltage V is applied to the other n + type region 62 (source / drain region) via a wiring (not shown).
RST  RST
[0176] 増幅トランジスタ Tr は、ゲート電極 65と、このゲート電極 65を挟んで両側に形成  [0176] The amplification transistor Tr is formed on both sides of the gate electrode 65 with the gate electrode 65 interposed therebetween.
AMP  AMP
された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64とを含む MOSトランジスタ力も構成 されている。ゲート電極 65は、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトブラ グ 71と配線膜 72と導電性コンタクトプラグ 74aと配線膜 75を介して、対応するバンプ 電極 90に電気的に接続されている。その結果、増幅トランジスタ Tr のゲート電極  A MOS transistor force including a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 is also formed. The gate electrode 65 is electrically connected to the corresponding bump electrode 90 through the conductive contact plug 71, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed inside the wiring structure 74. Yes. As a result, the gate electrode of the amplification transistor Tr
AMP  AMP
は、対応する埋込配線 23を介して、上位半導体回路層 21の対応する共通ノード 13 (画素ブロック 12 (i, j) )に電気的に接続されていることになる(図 6参照)。また、一方 の n+形領域 64 (ソース'ドレイン領域)は、配線構造 74の内部に形成された導電性コ ンタクトプラグ 69を介して、配線構造 74の内部に形成された配線膜 73に電気的に接 続されている。他方の n+形領域 64 (ソース'ドレイン領域)には、図示しない配線を介 して電源電圧 V が印加される。  Is electrically connected to the corresponding common node 13 (pixel block 12 (i, j)) of the upper semiconductor circuit layer 21 through the corresponding embedded wiring 23 (see FIG. 6). One n + type region 64 (source / drain region) is electrically connected to the wiring film 73 formed in the wiring structure 74 through the conductive contact plug 69 formed in the wiring structure 74. It is connected to the. The power supply voltage V is applied to the other n + type region 64 (source / drain region) via a wiring (not shown).
CC  CC
[0177] n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr の各々は、ゲート電極 67と、このゲート電極 6  [0177] Each of the n selection transistors Tr 1 to Tr 4 includes a gate electrode 67 and a gate electrode 6
SELl SELn  SELl SELn
7を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66とを含む M OSトランジスタ力も構成されて 、る。一方の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 66は、 配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 70と配線膜 73と導電性コン タクトプラグ 69を介して、対応する増幅トランジスタ Tr の一方の n+形領域 (ソース'  A MOS transistor force including a pair of n + -type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of 7 is also formed. One n + type region (source / drain region) 66 is connected to one of the corresponding amplifying transistors Tr via the conductive contact plug 70, the wiring film 73, and the conductive contact plug 69 formed in the wiring structure 74. N + region (source '
AMP  AMP
ドレイン領域) 64に電気的に接続されて!ヽる。他方の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域 ) 66は、当該イメージセンサ 2の対応する出力端子に接続されている。ゲート電極 67 は、配線構造 74の内部に形成された配線を介して、出力選択線 39に電気的に接続 されている。選択トランジスタ Tr 〜Tr のゲート電極 67には、対応する出力選  Drain region) 64 is electrically connected! The other n + type region (source / drain region) 66 is connected to the corresponding output terminal of the image sensor 2. The gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74. The corresponding output selection is applied to the gate electrode 67 of the selection transistors Tr to Tr.
SELl SELn  SELl SELn
択線 39を介して所定の出力選択信号 φ 〜 φ がそれぞれ印加される。  Predetermined output selection signals φ to φ are applied via selection lines 39, respectively.
SELl SELn  SELl SELn
[0178] 第 5実施形態に係るイメージセンサ 2では、図 8に示すように、隣接する二つの選択 トランジスタ、例えば Tr と Tr は、同じ素子領域中に形成されている。これは占  In the image sensor 2 according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 8, two adjacent selection transistors, for example, Tr and Tr, are formed in the same element region. This is fortune-telling
SELl SEL2  SELl SEL2
有面積をできるだけ小さくするためである。当該素子領域の中には三つの n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66が所定距離をあけて並列して形成されており、中央の n+形 領域 66を二つの選択トランジスタ Tr と Tr とで共用している。そして、共用され  This is to make the area as small as possible. In the element region, three n + regions (source and drain regions) 66 are formed in parallel at a predetermined distance, and the central n + region 66 is shared by the two selection transistors Tr and Tr. is doing. And shared
SELl SEL2 ている n 形領域 66を、対応する増幅トランジスタ Tr の一方の n 形領域 64に電 SELl SEL2 N-type region 66 is electrically connected to one n-type region 64 of the corresponding amplification transistor Tr.
AMP  AMP
気的に接続している。共用されていない n+形領域 66は、対応する出力端子にそれ ぞれ接続されている。  Connected with care. Each non-shared n + region 66 is connected to the corresponding output terminal.
[0179] 上位半導体回路層 21内の n+形領域 43と下位半導体回路層 22内の n+形領域 62  [0179] The n + type region 43 in the upper semiconductor circuit layer 21 and the n + type region 62 in the lower semiconductor circuit layer 22
(これらは埋込配線 23を介して電気的に相互接続されている)は、 FD (浮遊拡散)領 域の機能、すなわち光電変換によりフォトダイオード PD〜PDに蓄積された信号電 荷量を電圧信号に変換する機能を有して!/ヽる。  (These are electrically interconnected via the embedded wiring 23) is a function of the FD (floating diffusion) region, that is, the signal charge accumulated in the photodiodes PD to PD by photoelectric conversion. Has the function of converting to a signal!
[0180] なお、上位半導体回路層 21と下位半導体回路層 22の内部構造を形成する方法 は、当業界によく知られているから、それらに関する説明は省略する。  [0180] The method of forming the internal structures of the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 is well known in the art, and a description thereof will be omitted.
[0181] 以上述べたように、図 6及び図 8に示した第 5実施形態に係るイメージセンサ 2は、 図 4に示した第 3実施形態のセンサ回路 1Bを適用したものであって、(k X m)個の画 素ブロック 12 (それぞれのブロック 12が n個の画素 11を含む)と(k X m)個の埋込配 線 23を上位半導体回路層 21中に形成すると共に、(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と(k X m)組の選択トランジスタ群 Tr [0181] As described above, the image sensor 2 according to the fifth embodiment shown in FIGS. 6 and 8 is an application of the sensor circuit 1B of the third embodiment shown in FIG. (k X m) pixel blocks 12 (each block 12 includes n pixels 11) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21, and ( (k X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m) selected transistor groups Tr
RST AMP SEL1RST AMP SEL1
〜Tr を下位半導体回層 22中に形成し、さら〖こ、埋込配線 23及びバンプ電極 90~ Tr is formed in the lower semiconductor layer 22 and further, the embedded wiring 23 and the bump electrode 90
SELn SELn
を介して、上位半導体回路層 21中の画素ブロック 12と、下位半導体回層 22中の対 応するリセットトランジスタ Tr 及び増幅トランジスタ Tr とを電気的に相互接続し  The pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21 is electrically connected to the corresponding reset transistor Tr and amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22 via
RST AMP  RST AMP
ている。  ing.
[0182] また、下位半導体回路層 22の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電極 9 0と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21の下方の主面 (基板 40の裏面)に電 気的 ·機械的に接続されているので、両回路層 21と 22は二段の半導体積層構造( 三次元構造)を構成する。  [0182] The upper main surface of the lower semiconductor circuit layer 22 (the surface of the wiring structure 74) is formed below the upper main surface of the upper semiconductor circuit layer 21 (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. Since both are electrically and mechanically connected to each other, the circuit layers 21 and 22 form a two-stage semiconductor laminated structure (three-dimensional structure).
[0183] したがって、上述した第 3実施形態のセンサ回路 1Bについて説明したのと同じ理 由により、全画素 11につ!/、ての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタイ匕 )が可能であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じるこ となぐ高速で移動する被写体を撮像することができる。  Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit 1B of the third embodiment described above, the signal charges for all the pixels 11 are substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirt tie). It is possible to image a subject that moves at a high speed that causes image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0184] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。 [0184] Further, each pixel 11 of the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor). Compared to a conventional CMOS image sensor including three or four MOS transistors, it can achieve a high pixel aperture ratio (eg, about 60%) and can reduce the size of the pixel 11 itself. It becomes possible.
[0185] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21の表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォト ダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0185] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than that of a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21 is reduced. It becomes possible to increase the ratio.
[0186] (第 6実施形態)  [0186] (Sixth embodiment)
図 7は、本発明の第 6実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Aの要部の回 路構成を示す回路図であり、図 9は、同イメージセンサ 2Aの実際構造を示す要部断 面図である。このイメージセンサ 2Aは、上述した第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5 参照)を使用したものであり、上位半導体回路層 21と下位半導体回路層 22'を積層 して二段の三次元積層構造とされている。このイメージセンサ 2Aは、本発明の第 3の 観点によるイメージセンサに対応する。  FIG. 7 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2A according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2A. FIG. This image sensor 2A uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment described above (see FIG. 5). The upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor circuit layer 22 ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured. This image sensor 2A corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0187] このイメージセンサ 2Aの全体構成及び動作は、図 1に示したものと同じである。よつ て、それらに関する説明は省略する。また、図 7に示された回路構成は、図 5の第 4実 施形態のセンサ回路 1C (各増幅トランジスタ Tr の出力端に n個の選択トランジス  [0187] The overall configuration and operation of the image sensor 2A are the same as those shown in FIG. Therefore, the explanation about them is omitted. In addition, the circuit configuration shown in FIG. 7 corresponds to the sensor circuit 1C of the fourth embodiment shown in FIG. 5 (n selected transistors at the output terminal of each amplification transistor Tr).
AMP  AMP
タ Tr 〜Tr が接続されており、それら選択トランジスタ Tr 〜Tr の出力側 Transistors Tr to Tr are connected, and the output side of these selection transistors Tr to Tr
SEL1 SELn SEL1 SELn にそれぞれ記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr とが接続 SEL1 SELn SEL1 SELn is connected to storage capacitors C to C and output transistors Tr to Tr, respectively.
ST1 STn OUT1 OUTn されたもの)と同じであるから、同一の要素に同一の符号を付してその説明は省略す る。ただし、イメージセンサ 2Aでは、後述するように、上位半導体回路層 21中に形成 された各画素ブロック 12の共通ノード 13と、下位半導体回路層 22'中に形成された リセットトランジスタ Tr 及び増幅トランジスタ Tr の接続点であるノード 14とを電  ST1 STn OUT1 OUTn), the same reference numerals are assigned to the same elements, and descriptions thereof are omitted. However, in the image sensor 2A, as will be described later, the common node 13 of each pixel block 12 formed in the upper semiconductor circuit layer 21, the reset transistor Tr and the amplification transistor Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22 ′. Node 14 that is the connection point of
RST AMP  RST AMP
気的に接続するために、公知の埋込配線 23を使用していることから、埋込配線 23と 、当該埋込配線 23によって生じる寄生抵抗 Rと寄生容量 C 及び C が図 7に追カロ  Since the well-known embedded wiring 23 is used for air connection, the embedded wiring 23 and the parasitic resistance R and the parasitic capacitances C and C generated by the embedded wiring 23 are additionally shown in FIG.
0 01 02  0 01 02
されている。埋込配線 23は、各画素ブロック 12 (つまり、 n個の画素 11)に対して一つ 設けられている。  Has been. One embedded wiring 23 is provided for each pixel block 12 (that is, n pixels 11).
[0188] 次に、図 9を参照しながら、イメージセンサ 2Aの実際構造について説明する。  [0188] Next, the actual structure of the image sensor 2A will be described with reference to FIG.
[0189] イメージセンサ 2Aは、図 9から明らかなように、上位半導体回路層 21と下位半導体 回路層 22'とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と、電気的絶縁性の接着剤(例 えばポリイミド) 91とを用いて、機械的且つ電気的に接続して構成されている。 [0189] As is apparent from FIG. 9, the image sensor 2A includes the upper semiconductor circuit layer 21 and the lower semiconductor. The circuit layer 22 'is mechanically and electrically connected using the embedded wiring 23, the fine bump electrode 90, and an electrically insulating adhesive (for example, polyimide) 91. .
[0190] 上位半導体回路層 21は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2 (図 8参照)の それと同じ構成であり、 & 111)個の画素ブロック12っまり& 11) X m個の画素 11と 、(k X m)個の埋込配線 23が形成されている。上位半導体回路層 21の内部構成は 、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2のそれと同じであるから、第 5実施形態の 場合と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。  [0190] The upper semiconductor circuit layer 21 has the same configuration as that of the image sensor 2 (see FIG. 8) of the fifth embodiment described above. & 111) 12 pixel blocks & 11) Xm pixels 11 and (k X m) embedded wirings 23 are formed. Since the internal configuration of the upper semiconductor circuit layer 21 is the same as that of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above, the same reference numerals as those in the case of the fifth embodiment are given and detailed description thereof is omitted.
[0191] 下位半導体回路層 22'は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2 (図 8参照)の 下位半導体回路層 22とほぼ同じ構成であるが、記憶用容量素子 C 〜C と出力  [0191] The lower semiconductor circuit layer 22 'has substantially the same configuration as the lower semiconductor circuit layer 22 of the image sensor 2 (see Fig. 8) of the fifth embodiment described above, but outputs the storage capacitors C to C and outputs.
ST1 STn トランジスタ Tr 〜Tr が追加形成されている点が異なっている。すなわち、下  ST1 STn The difference is that transistors Tr to Tr are additionally formed. Ie, below
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
位半導体回路層 22'には、(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と、(k X m)個の増  In the potential semiconductor circuit layer 22 ′, (k X m) reset transistors Tr and (k X m) additional transistors are provided.
RST  RST
幅トランジスタ Tr と、(k X m)組の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr に加えて、(k  In addition to the width transistor Tr and (k X m) sets of selection transistor groups Tr to Tr, (k
AMP SEL1 SELn  AMP SEL1 SELn
X m)組の記憶用容量素子群 C 〜C と、(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr  Xm) sets of storage capacitor groups C to C and (kXm) sets of output transistor groups Tr
ST1 STn OUT1 ST1 STn OUT1
〜Tr が追加形成されている。 ~ Tr is additionally formed.
OUTn  OUTn
[0192] 図 9に示すように、下位半導体回路層 22'では、 p型の単結晶 Si基板 60の表面領 域に、所定パターンで素子分離絶縁膜 61が形成されており、それによつて所定数の リセットトランジスタ Tr 用の素子領域と、所定数の増幅トランジスタ Tr 用の素子  As shown in FIG. 9, in the lower semiconductor circuit layer 22 ′, the element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern in the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, thereby Element regions for a number of reset transistors Tr and a number of elements for amplifying transistors Tr
RST AMP  RST AMP
領域と、所定数の選択トランジスタ Tr 〜Tr 、記憶用容量素子 C 〜C 及  Region, a predetermined number of selection transistors Tr to Tr, storage capacitors C to C and
SEL1 SELn ST1 STn び出力トランジスタ Tr 〜Tr 用の素子領域が形成されている。ここでは一つの  Element regions for SEL1 SELn ST1 STn and output transistors Tr to Tr are formed. Here is one
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
画素ブロック 12 (i, j)に対応する構成について説明する。  A configuration corresponding to the pixel block 12 (i, j) will be described.
[0193] リセットトランジスタ Tr の構成は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2 (図 8 [0193] The configuration of the reset transistor Tr is the same as that of the image sensor 2 of the fifth embodiment (Fig. 8).
RST  RST
参照)の場合と同様であり、ゲート電極 63と、このゲート電極 63を挟んで両側に形成 された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 62とを含む MOSトランジスタ力も構成 されている。リセットトランジスタ Tr の電気的接続も、第 5実施形態のイメージセン  The MOS transistor force including a gate electrode 63 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 62 formed on both sides of the gate electrode 63 is also configured. The electrical connection of the reset transistor Tr is also the image sensor of the fifth embodiment.
RST  RST
サ 2 (図 8参照)の場合と同様である。  This is the same as in case 2 (see Fig. 8).
[0194] 増幅トランジスタ Tr の構成は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2 (図 8参 [0194] The configuration of the amplification transistor Tr is the same as that of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above (see Fig. 8).
AMP  AMP
照)の場合と同様であり、ゲート電極 65と、このゲート電極 65を挟んで両側に形成さ れた一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64とを含む MOSトランジスタ力も構成さ れて 、る。増幅トランジスタ Tr の電気的接続も、第 5実施形態のイメージセンサ 2 ( The MOS transistor force including the gate electrode 65 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 formed on both sides of the gate electrode 65 is also configured. It is. The electrical connection of the amplification transistor Tr is also the same as that of the image sensor 2 (
AMP  AMP
図 8参照)の場合と同様である。  This is the same as in the case of FIG.
[0195] n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr の各々の構成は、上述した第 5実施形態のィ [0195] The configuration of each of the n selection transistors Tr to Tr is the same as that of the fifth embodiment described above.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
メージセンサ 2 (図 8参照)の場合と同様であり、ゲート電極 67と、このゲート電極 67を 挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66とを含む MOSト ランジスタカも構成されている。そして、その MOSトランジスタに対して、記憶用容量 素子と出力トランジスタとが、図 7に示すような回路構成となるように接続されている。  As in the case of the image sensor 2 (see FIG. 8), the MOS transistor stacker includes a gate electrode 67 and a pair of n + type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of the gate electrode 67. It is configured. A storage capacitor and an output transistor are connected to the MOS transistor so as to have a circuit configuration as shown in FIG.
[0196] 例えば、選択トランジスタ Tr について言えば、一方の n+形領域 (ソース'ドレイン [0196] For example, for the select transistor Tr, one n + type region (source 'drain)
SEL1  SEL1
領域) 66は、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 70及び 69と配 線膜 73を介して、対応する増幅トランジスタ Tr の一方の n+形領域 (ソース'ドレイ  (Region) 66 is one n + type region (source drain) of the corresponding amplifying transistor Tr via the conductive contact plugs 70 and 69 formed in the wiring structure 74 and the wiring film 73.
AMP  AMP
ン領域) 64に電気的に接続されている。ゲート電極 67は、配線構造 74の内部に形 成された配線を介して出力選択線 39に電気的に接続されており、出力選択信号 φ  Is electrically connected to 64). The gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74, and the output selection signal φ
S  S
が印加される。選択トランジスタ Tr の他方の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 6 Is applied. The other n + type region (source / drain region) of select transistor Tr 6
ELI SEL1 ELI SEL1
6は、ゲート電極 67aに関してそれとは反対側に形成された n+形領域 66aと共に、記 憶用容量素子 C として機能する MOSキャパシタを構成している。この n+形領域 6  6 constitutes a MOS capacitor that functions as a storage capacitor C together with an n + -type region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67a. This n + region 6
ST1  ST1
6aは、ゲート電極 67bと、そのゲート電極 67bに関して当該 n+形領域 66aとは反対 側に形成された n+形領域 66aと共に、出力トランジスタ Tr として機能する MOSト  6a is a MOS transistor that functions as an output transistor Tr together with a gate electrode 67b and an n + region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67b from the n + region 66a.
OUT1  OUT1
ランジスタを構成して ヽる。ゲート電極 67aは、所定電位 (通常は電源電圧 V )の端  Construct a transistor. The gate electrode 67a is at the end of a predetermined potential (usually the power supply voltage V).
CC  CC
子または領域に接続される。ゲート電極 67bは、図示しない配線を介して出力制御 線 39aに電気的に接続されており、出力制御信号 φ が印加される。  Connected to a child or region. The gate electrode 67b is electrically connected to the output control line 39a via a wiring (not shown), and the output control signal φ is applied.
OUT1  OUT1
[0197] このように、一つの素子領域内に、選択トランジスタ Tr と記憶用容量素子 C と  Thus, in one element region, the select transistor Tr, the storage capacitor element C,
SEL1 ST1 出力トランジスタ Tr が形成されている。これは、他の選択トランジスタ Tr 〜Tr  SEL1 ST1 Output transistor Tr is formed. This is because the other selection transistors Tr to Tr
OUT1 SEL2 S についても同様である。  The same applies to OUT1 SEL2 S.
ELn  ELn
[0198] 以上述べたように、図 7及び図 9に示した第 6実施形態に係るイメージセンサ 2は、 図 5に示したセンサ回路 1Cを適用したものであって、 & 111)個の画素ブロック12 ( それぞカ 個の画素 11を含む)と(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TG )と(k X m)個の埋込配線 23を上位半導体回路層 21中に形成すると共に、 (k X m)個のリ セットトランジスタ Tr と(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と(k X m)組の選択トラ  [0198] As described above, the image sensor 2 according to the sixth embodiment shown in FIGS. 7 and 9 applies the sensor circuit 1C shown in FIG. 5, and & 111) pixels. Block 12 (each including 11 pixels), (k X m) pairs of transfer gates TG to TG) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21 In addition, (k X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m) sets of selection transistors
RST AMP ンジスタ群 Tr 〜Tr と(kX m)組の記憶用容量素子群 C 〜C と(kX m)組RST AMP Storage Capacitor Groups C to C and (kX m) Sets of Transistor Groups Tr to Tr and (kX m) Sets
SEL1 SELn ST1 STn SEL1 SELn ST1 STn
の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr を下位半導体回層 22'中に形成し、さらに、埋  Output transistor groups Tr to Tr are formed in the lower semiconductor layer 22 ′ and further embedded.
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
込配線 23及びバンプ電極 90を介して、上位半導体回路層 21中の画素ブロック 12と 、下位半導体回層 22'中のリセットトランジスタ Tr 及び増幅トランジスタ Tr とを  Via the embedded wiring 23 and the bump electrode 90, the pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21 and the reset transistor Tr and amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22 ′ are connected.
RST AMP  RST AMP
電気的に相互接続している。  Are electrically interconnected.
[0199] また、下位半導体回路層 22'の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電極 9 0と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21の下方の主面 (基板 40の裏面)に電 気的 ·機械的に接続されているので、両回路層 21と 22'は二段の半導体積層構造( 三次元構造)を構成する。  [0199] The main surface above the lower semiconductor circuit layer 22 '(the surface of the wiring structure 74) is formed on the main surface below the upper semiconductor circuit layer 21 (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. ) Are electrically and mechanically connected to each other, so that both circuit layers 21 and 22 'constitute a two-stage semiconductor laminated structure (three-dimensional structure).
[0200] したがって、第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5を参照)について説明したのと同じ 理由により、全画素 11についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ ィ匕)が可能であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じる ことなぐ高速で移動する被写体を撮像することができる。  [0200] Therefore, for the same reason as explained for the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see Fig. 5), it is possible to store signal charges for all the pixels 11 substantially simultaneously (substantially simultaneous shirt tying). In addition, it is possible to capture a subject that moves at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0201] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。  [0201] Since each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels are arranged in one pixel. Compared to a conventional CMOS image sensor including MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced.
[0202] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21の表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォト ダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0202] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21 It becomes possible to increase the ratio.
[0203] さらに、出力制御信号 φ 〜φ で出力トランジスタ Tr 〜Tr を制御す  [0203] Further, output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals φ to φ.
OUTl OUTn OUT1 OUTn  OUTl OUTn OUT1 OUTn
ることにより、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGと選択トランジスタ群 T r 〜Tr の開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することがで As a result, the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
SEL1 SELn SEL1 SELn
きるため、第 5実施形態のイメージセンサ 2よりも高速の撮像が可能であるという効果 もめる。  Therefore, it is possible to obtain an effect that imaging can be performed at a higher speed than the image sensor 2 of the fifth embodiment.
[0204] (第 7実施形態) [0204] (Seventh embodiment)
図 10は、本発明の第 7実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Bの要部の 回路構成を示す回路図であり、図 11は、イメージセンサ 2Bの実際構造を示す要部 断面図である。このイメージセンサ 2Bは、上記第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5参 照)を使用したものであり、上位半導体回路層 21Aと下位半導体回路層 22A'を積 層して二段の三次元積層構造とされている。イメージセンサ 2Bは、本発明の第 3の 観点によるイメージセンサに対応する。 FIG. 10 shows the main part of the addressing type image sensor 2B according to the seventh embodiment of the invention. FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration, and FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part showing an actual structure of the image sensor 2B. This image sensor 2B uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5). The upper semiconductor circuit layer 21A and the lower semiconductor circuit layer 22A ′ are stacked to form a two-dimensional three-dimensional image sensor 2B. It is a laminated structure. The image sensor 2B corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0205] イメージセンサ 2Bの全体構成及び動作は、図 1に示したものと同じである。よって、 それらに関する説明は省略する。また、図 10に示された回路構成は、埋込配線 23が 追加されている点を除いて、図 5の第 4実施形態のセンサ回路 1Cと同じであるから、 同一の要素に同一の符号を付してその説明は省略する。  [0205] The overall configuration and operation of the image sensor 2B are the same as those shown in FIG. Therefore, the description regarding them is omitted. The circuit configuration shown in FIG. 10 is the same as the sensor circuit 1C of the fourth embodiment in FIG. 5 except that the embedded wiring 23 is added. The description is omitted.
[0206] イメージセンサ 2Bは、図 10及び図 11より明らかなように、上位半導体回路層 21A と下位半導体回路層 22A'とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的絶縁 性の接着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。その構成は 、第 6実施形態のイメージセンサ 2A (図 7及び図 9参照)で下位半導体回路層 22'中 に形成されて 、た (k X m)個のリセットトランジスタ Tr を上位半導体回路層 21中に  As is apparent from FIGS. 10 and 11, the image sensor 2B includes an upper semiconductor circuit layer 21A and a lower semiconductor circuit layer 22A ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating material. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91. The configuration is that the image sensor 2A of the sixth embodiment (see FIGS. 7 and 9) is formed in the lower semiconductor circuit layer 22 ′, and (k X m) reset transistors Tr are connected to the upper semiconductor circuit layer 21. inside
RST  RST
移したものに相当する。すなわち、上位半導体回路層 21Aには、(k X n) X m個のフ オトダイオード(すなわち、(k X m)組のフォトダイオード群 PD〜PD )と、(k X n) X m個のトランスファゲート(すなわち、(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TG )と 、(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と、(k X m)個の埋込配線 23が形成されてい  It corresponds to the transferred one. That is, the upper semiconductor circuit layer 21A includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) photodiode groups PD to PD) and (k X n) X m photodiodes. Transfer gates (that is, (k X m) pairs of transfer gates TG to TG), (k X m) reset transistors Tr, and (k X m) embedded wirings 23 are formed.
RST  RST
る。フォトダイオード PD〜PDとトランスファゲート TG〜TGの構成は、第 6実施形 態のイメージセンサ 2Aの場合と同じであるので、それらに関する説明は省略する。  The Since the configurations of the photodiodes PD to PD and the transfer gates TG to TG are the same as those of the image sensor 2A of the sixth embodiment, description thereof will be omitted.
[0207] リセットトランジスタ Tr は、図 11に示すように、ゲート電極 49と、このゲート電極 4 As shown in FIG. 11, the reset transistor Tr includes the gate electrode 49 and the gate electrode 4
RST  RST
9を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 48とを含む M OSトランジスタ力も構成されている。ゲート電極 49は、基板 40の表面に形成された 配線構造 47中の配線を介して、対応するリセット線 31に電気的に接続されて!、る。 一方の n+形領域 48 (ソース'ドレイン領域)は、配線構造 47の内部に形成された導 電性コンタクトプラグ 50と配線膜 46と導電性コンタクトプラグ 23aと埋込配線 23を介 して、対応するバンプ電極 90に電気的に接続されている。その結果、リセットトランジ スタ Tr の当該ソース'ドレイン領域は、下位半導体回路層 22A'の対応する増幅ト ランジスタ Tr のゲート電極 65に電気的に接続されていることになる。リセットトランA MOS transistor force including a pair of n + type regions (source / drain regions) 48 formed on both sides of 9 is also formed. The gate electrode 49 is electrically connected to the corresponding reset line 31 via the wiring in the wiring structure 47 formed on the surface of the substrate 40. One n + type region 48 (source and drain region) is supported by the conductive contact plug 50, the wiring film 46, the conductive contact plug 23a, and the embedded wiring 23 formed in the wiring structure 47. The bump electrode 90 is electrically connected. As a result, the source “drain region” of the reset transistor Tr corresponds to the corresponding amplification transistor of the lower semiconductor circuit layer 22A. It is electrically connected to the gate electrode 65 of the transistor Tr. Reset run
AMP AMP
ジスタ Tr の他方の n+形領域 48 (ソース .ドレイン領域)には、図示しな!ヽ配線を介 The other n + type region 48 (source / drain region) of the transistor Tr
RST RST
してリセット電圧 V が印加される c C reset voltage V is applied to
RST  RST
[0208] 下位半導体回路層 22A'には、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と、(k X m)組  [0208] The lower semiconductor circuit layer 22A 'includes (k X m) amplifier transistors Tr and (k X m) pairs.
AMP  AMP
の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr と、(k X m)組の記憶用容量素子群 C 〜C  Selected transistor groups Tr to Tr and (k X m) sets of memory capacitor groups C to C
SEL1 SELn ST1 STn と、(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr が形成されている。この構成は、  SEL1 SELn ST1 STn and (k X m) sets of output transistor groups Tr to Tr are formed. This configuration is
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
第 6実施形態(図 7及び図 9参照)の下位半導体回路層 22'から (k X m)個のリセット トランジスタ Tr を除去した構成に相当する。増幅トランジスタ Tr と選択トランジ  This corresponds to a configuration in which (k × m) reset transistors Tr are removed from the lower semiconductor circuit layer 22 ′ of the sixth embodiment (see FIGS. 7 and 9). Amplifying transistor Tr and select transistor
RST AMP  RST AMP
スタ Tr 〜Tr の構成は、第 6実施形態の場合と同一であるから、それらに関す Since the configuration of the transistors Tr to Tr is the same as that of the sixth embodiment,
SEL1 SELn SEL1 SELn
る説明は省略する。  The description is omitted.
[0209] 以上述べたように、図 10及び図 11に示した第 7実施形態に係るイメージセンサ 2B は、第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5参照)を適用したものであって、(k X m)個の 画素ブロック 12 (それぞれのブロック 12が n個の画素 11を含む)と(k X m) のトラン スファゲート群 TG〜TG )と(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と(k X m)個の埋  [0209] As described above, the image sensor 2B according to the seventh embodiment shown in FIGS. 10 and 11 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment. (k X m) pixel blocks 12 (each block 12 includes n pixels 11), (k X m) transfer gate groups TG to TG) and (k X m) reset transistors Tr ( k X m) buried
1 n RST  1 n RST
込配線 23を上位半導体回路層 21A中に形成すると共に、(k X m)個の増幅トランジ スタ Tr と (k X m)組の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr と (k X m)組の記憶用容 The embedded wiring 23 is formed in the upper semiconductor circuit layer 21A, and (k X m) amplification transistors Tr and (k X m) sets of selection transistor groups Tr to Tr and (k X m) sets are used for storage. Yong
AMP SEL1 SELn AMP SEL1 SELn
量素子群 C 〜C と(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr を下位半導  Quantum element groups C to C and (k X m) output transistor groups Tr to Tr
ST1 STn OUT1 OUTn  ST1 STn OUT1 OUTn
体回層 22A'中に形成し、さら〖こ、埋込配線 23及びバンプ電極 90を介して、上位半 導体回路層 21中のリセットトランジスタ Tr と、下位半導体回層 22A'中の増幅トラ  The reset transistor Tr in the upper semiconductor circuit layer 21 and the amplification transistor in the lower semiconductor circuit layer 22A ′ are formed in the body layer 22A ′ and further passed through the embedded wiring 23 and the bump electrode 90.
RST  RST
ンジスタ Tr とを電気的に相互接続して!/ヽる。  Connect the transistor Tr electrically.
AMP  AMP
[0210] また、下位半導体回路層 22A,の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電 極 90と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21Aの下方の主面 (基板 40の裏面) に電気的'機械的に接続されているので、両回路層 21Aと 22A,は二段の半導体積 層構造 (三次元構造)を構成する。  [0210] In addition, the upper main surface (surface of the wiring structure 74) of the lower semiconductor circuit layer 22A is separated from the lower main surface (back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. Both circuit layers 21A and 22A constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
[0211] したがって、第 4実施形態のセンサ回路 1Cについて説明したのと同じ理由により、 全画素 11についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能 であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高 速で移動する被写体を撮像することができる。 [0212] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。 [0211] Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit 1C of the fourth embodiment, signal charges for all the pixels 11 can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured. [0212] Since each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel. Compared to a conventional CMOS image sensor including MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced.
[0213] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Aの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォ トダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0213] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light-receiving region (opening portion of each photodiode) relative to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21A It is possible to increase the ratio of.
[0214] さらに、出力制御信号 φ 〜φ で出力トランジスタ Tr 〜Tr を制御す  [0214] Further, output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals φ to φ.
OUTl OUTn OUT1 OUTn  OUTl OUTn OUT1 OUTn
ることにより、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGと選択トランジスタ群 T r 〜Tr の開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することがで As a result, the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
SEL1 SELn SEL1 SELn
きるため、記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr を有しない  Storage capacitors C to C and output transistors Tr to Tr
ST1 STn OUTl OUTn  ST1 STn OUTl OUTn
場合よりも高速の撮像が可能であるという効果もある。  There is also an effect that high-speed imaging is possible.
[0215] (第 8実施形態) [0215] (Eighth embodiment)
図 12は、本発明の第 8実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Cの実際構 造を示す要部断面図である。このイメージセンサ 2Cは、上述した第 7実施形態のィメ ージセンサ 2B (図 10及び図 11参照)において、記憶用容量素子 C 〜C と出力  FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2C according to the eighth embodiment of the present invention. This image sensor 2C is the same as the output of the storage capacitors C to C in the image sensor 2B of the seventh embodiment described above (see FIGS. 10 and 11).
ST1 STn トランジスタ Tr 〜Tr を削除したものに相当する。このイメージセンサ 2Cは、  ST1 STn Corresponds to the one without transistors Tr to Tr. This image sensor 2C
OUTl OUTn  OUTl OUTn
本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサに対応する。  This corresponds to the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0216] 第 8実施形態のイメージセンサ 2Cは、図 12から明らかなように、上位半導体回路層 21 Aと下位半導体回路層 22Aとを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的絶 縁性の接着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。上位半導 体回路層 21Aの構成は、第 7実施形態のイメージセンサ 2Bのそれと同じである。下 位半導体回路層 22Aの構成は、第 7実施形態のイメージセンサ 2Bの下位半導体回 路層 22A'から記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr を削 As is apparent from FIG. 12, the image sensor 2C according to the eighth embodiment includes an upper semiconductor circuit layer 21A and a lower semiconductor circuit layer 22A, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrical isolation. It is configured to be mechanically and electrically connected using an edge adhesive 91. The configuration of the upper semiconductor circuit layer 21A is the same as that of the image sensor 2B of the seventh embodiment. The configuration of the lower semiconductor circuit layer 22A is such that the memory capacitors C to C and the output transistors Tr to Tr are deleted from the lower semiconductor circuit layer 22A ′ of the image sensor 2B of the seventh embodiment.
ST1 STn OUTl OUTn 除した構成に等しい。  ST1 STn OUTl OUTn Equivalent to the configuration divided by OUTn.
[0217] 以上述べたように、第 8実施形態に係るイメージセンサ 2Cでは、第 7実施形態のィ メージセンサ 2Bで述べたのと同様の理由により、全画素 11につ 、ての信号電荷の 実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能であると共に、従来の CMOSィメー ジセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像するこ とがでさる。 [0217] As described above, in the image sensor 2C according to the eighth embodiment, the signal charges of all the pixels 11 are reduced for the same reason as described in the image sensor 2B of the seventh embodiment. Substantially simultaneous storage (substantially simultaneous shirting) is possible, and a moving subject can be imaged at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0218] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。  [0218] Since each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel. Compared to a conventional CMOS image sensor including MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced.
[0219] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Aの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォ トダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0219] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21A It is possible to increase the ratio of.
[0220] (第 9実施形態)  [0220] (Ninth embodiment)
図 13は、本発明の第 9実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Dの要部の 回路構成を示す回路図であり、図 14は、イメージセンサ 2Dの実際構造を示す要部 断面図である。このイメージセンサ 2Dは、上記第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5 参照)を使用したものであり、上位半導体回路層 21Bと下位半導体回路層 22B'を積 層して二段の三次元積層構造とされている。イメージセンサ 2Bは、本発明の第 3の 観点によるイメージセンサに対応する。  FIG. 13 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2D according to the ninth embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2D. . This image sensor 2D uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5). The upper semiconductor circuit layer 21B and the lower semiconductor circuit layer 22B ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured. The image sensor 2B corresponds to the image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0221] イメージセンサ 2Dの全体構成及び動作は、図 1に示したものと同じであり、また、図 13に示された回路構成は、埋込配線 23が追加されている点を除いて、図 5の第 4実 施形態のセンサ回路 1Cと同じである。  [0221] The overall configuration and operation of the image sensor 2D are the same as those shown in FIG. 1, and the circuit configuration shown in FIG. 13 is the same as that shown in FIG. This is the same as the sensor circuit 1C of the fourth embodiment in FIG.
[0222] イメージセンサ 2Dは、図 13及び図 14より明らかなように、上位半導体回路層 21B と下位半導体回路層 22B'とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的絶縁性 の接着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。その構成は、 第 7実施形態のイメージセンサ 2B (図 10及び図 11参照)で下位半導体回路層 22A '中に形成されていた (k X m)個の増幅トランジスタ Tr を、その上位半導体回路  As is apparent from FIGS. 13 and 14, the image sensor 2D includes an upper semiconductor circuit layer 21B and a lower semiconductor circuit layer 22B ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating material. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91. The configuration is such that (k X m) amplifying transistors Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22A ′ in the image sensor 2B of the seventh embodiment (see FIGS. 10 and 11) are connected to the upper semiconductor circuit.
AMP  AMP
層 21 A中に移したものに相当する。  Corresponds to that transferred into layer 21A.
[0223] すなわち、上位半導体回路層 21Bには、(k X n) X m個のフォトダイオード (すなわ ち、(k X m)組のフォトダイオード群 PD〜PD )と、(k X n) X m個のトランスファゲ一 ト(すなわち、(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TG )と、(k X m)個のリセットト ランジスタ Tr と、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と、(k X m)個の埋込配線 23 That is, the upper semiconductor circuit layer 21B has (k X n) X m photodiodes (ie, That is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD), (k X n) X m transfer gates (that is, (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG), (K X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m) embedded wirings 23
RST AMP  RST AMP
が形成されている。フォトダイオード PD〜PDとトランスファゲート TG〜TGとリセッ トトランジスタ Tr と構成は、第 7実施形態のイメージセンサ 2Bの場合と同じである  Is formed. The configuration of the photodiodes PD to PD, transfer gates TG to TG, and reset transistor Tr is the same as that of the image sensor 2B of the seventh embodiment.
RST  RST
ので、それらに関する説明は省略する。  Therefore, the description regarding them is omitted.
[0224] 増幅トランジスタ Tr は、図 14に示すように、ゲート電極 53と、このゲート電極 53 [0224] As shown in FIG. 14, the amplification transistor Tr includes a gate electrode 53 and a gate electrode 53.
AMP  AMP
を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 52とを含む MO Sトランジスタカゝら構成されている。ゲート電極 53は、配線構造 47の内部に形成され た導電性コンタクトプラグ 54と配線膜 46を介して、リセットトランジスタ Tr とトランス  And a pair of n + -type regions (source and drain regions) 52 formed on both sides of the MOS transistor. The gate electrode 53 is connected to the reset transistor Tr and the transformer via the conductive contact plug 54 and the wiring film 46 formed in the wiring structure 47.
RST  RST
ファゲート TG〜TGに電気的に接続されている。一方の n+形領域 52 (ソース'ドレ イン領域)は、配線構造 47の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 55と配線膜 5 6と導電性コンタクトプラグ 23aと埋込配線 23を介して、対応するバンプ電極 90に電 気的に接続されている。その結果、増幅トランジスタ Tr の当該ソース'ドレイン領  Fagates are electrically connected to TG to TG. One n + type region 52 (source / drain region) is supported through the conductive contact plug 55, the wiring film 56, the conductive contact plug 23a, and the buried wiring 23 formed in the wiring structure 47. The bump electrode 90 is electrically connected. As a result, the source / drain region of the amplification transistor Tr
AMP  AMP
域は、下位半導体回路層 22B'の対応する選択トランジスタ Tr  Area corresponds to the corresponding selection transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22B ′.
SEL1〜Tr の一方の  One of SEL1 to Tr
SELn n+形領域 66 (ソース'ドレイン領域)に電気的に接続されていることになる。増幅トラン ジスタ Tr の他方の n+形領域 52 (ソース ·ドレイン領域)には、図示しな!ヽ配線を介 This means that it is electrically connected to the SELn n + region 66 (source and drain regions). The other n + type region 52 (source / drain region) of the amplifying transistor Tr is connected to
AMP AMP
して電源電圧 V が印加される。  Then, the power supply voltage V is applied.
CC  CC
[0225] 下位半導体回路層 22B'には、(k X m)組の選択トランジスタ群 Tr T  [0225] The lower semiconductor circuit layer 22B 'includes (k X m) sets of select transistor groups Tr T
SEL1〜 r と、  SEL1-r,
SELn SELn
(k X m)組の記憶用容量素子群 C 〜C と、(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr (k X m) sets of memory capacitor groups C to C and (k X m) sets of output transistor groups Tr
ST1 STn OU ST1 STn OU
〜Tr が形成されている。この構成は、第 7実施形態(図 10及び図 11参照)の~ Tr is formed. This configuration is the same as that of the seventh embodiment (see FIGS. 10 and 11).
Tl OUTn Tl OUTn
下位半導体回路層 22A'カゝら (k X m)個の増幅トランジスタ Tr を除去した構成に  Lower semiconductor circuit layer 22A 'and others (k X m) amplifying transistors Tr are removed
AMP  AMP
相当する。選択トランジスタ Tr  Equivalent to. Select transistor Tr
SEL1〜Tr と記憶用容量素子 C  SEL1 to Tr and memory capacitor C
SELn ST1〜C と出力トラ  SELn ST1 to C and output traffic
STn ンジスタ Tr の構成は  The structure of STn transistor Tr is
OUT1〜Tr 、第 7実施形態の場合と同一であるから、それら〖こ  OUT1 to Tr are the same as in the seventh embodiment.
OUTn  OUTn
関する説明は省略する。  The explanation about it is omitted.
[0226] 以上述べたように、図 13及び図 14に示した第 9実施形態に係るイメージセンサ 2D は、第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5参照)を適用したものであって、(k X m)個の 画素ブロック 12 (それぞれのブロック 12が n個の画素 11を含む)と(k X m) のトラン スファゲート群 TG〜TG )と(k X m)個のリセットトランジスタ Tr As described above, the image sensor 2D according to the ninth embodiment shown in FIGS. 13 and 14 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment, ( k x m) pixel blocks 12 (each block 12 contains n pixels 11) and (k X m) Sfagate group TG to TG) and (k X m) reset transistors Tr
RST  RST
幅トランジスタ Tr と (k X m)個の埋込配線 23を上位半導体回路層 21B中に形成  Form width transistor Tr and (k X m) buried wirings 23 in upper semiconductor circuit layer 21B
AMP  AMP
すると共に、(k X m)組の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr と (k X m)組の記憶用容  In addition, (k X m) sets of selection transistor groups Tr to Tr and (k X m) sets of memory capacity
SEL1 SELn  SEL1 SELn
量素子群 C 〜C と(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr を下位半導  Quantum element groups C to C and (k X m) output transistor groups Tr to Tr
ST1 STn OUT1 OUTn  ST1 STn OUT1 OUTn
体回層 22B'中に形成し、さらに、埋込配線 23及びバンプ電極 90を介して、上位半 導体回路層 21B中の増幅トランジスタ Tr と、下位半導体回層 22B'中の選択トラ  The amplification transistor Tr in the upper semiconductor circuit layer 21B and the selection transistor in the lower semiconductor circuit layer 22B ′ are formed in the body layer 22B ′ through the embedded wiring 23 and the bump electrode 90.
AMP  AMP
ンジスタ Tr 〜Tr とを電気的に相互接続している。  Transistors Tr to Tr are electrically interconnected.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
[0227] また、下位半導体回路層 22B'の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電 極 90と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21Bの下方の主面 (基板 40の裏面) に電気的'機械的に接続されているので、両回路層 21Bと 22B'は二段の半導体積 層構造 (三次元構造)を構成する。  [0227] The upper main surface (the surface of the wiring structure 74) of the lower semiconductor circuit layer 22B 'is formed on the lower main surface (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. The circuit layers 21B and 22B 'constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
[0228] したがって、第 4実施形態のセンサ回路 1Cについて説明したのと同じ理由により、 全画素 11についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能 であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高 速で移動する被写体を撮像することができる。  Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit 1C of the fourth embodiment, signal charges for all the pixels 11 can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
[0229] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。  [0229] Since each pixel 11 in the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), three to four pixels can be arranged in one pixel. Compared to a conventional CMOS image sensor including MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced.
[0230] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Bの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォト ダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0230] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than the conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21B It becomes possible to increase the ratio.
[0231] さらに、出力制御信号 φ 〜φ で出力トランジスタ Tr 〜Tr を制御す  [0231] Further, output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals φ to φ.
OUTl OUTn OUT1 OUTn  OUTl OUTn OUT1 OUTn
ることにより、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGと選択トランジスタ群 T r 〜Tr の開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することがで As a result, the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
SEL1 SELn SEL1 SELn
きるため、記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr を有しない  Storage capacitors C to C and output transistors Tr to Tr
ST1 STn OUTl OUTn  ST1 STn OUTl OUTn
場合よりも高速の撮像が可能であるという効果もある。 [0232] (第 10実施形態) There is also an effect that high-speed imaging is possible. [0232] (Tenth embodiment)
図 15は、本発明の第 10実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Eの実際 構造を示す要部断面図である。このイメージセンサ 2Eは、上述した第 9実施形態のィ メージセンサ 2C (図 13及び図 14参照)において、記憶用容量素子 C 〜C と出  FIG. 15 is a cross-sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2E according to the tenth embodiment of the present invention. The image sensor 2E includes storage capacitors C to C in the image sensor 2C of the ninth embodiment described above (see FIGS. 13 and 14).
ST1 STn カトランジスタ Tr 〜Tr を削除したものに相当する。このイメージセンサ 2Eは、  ST1 STn Corresponds to the transistor transistors Tr to Tr deleted. This image sensor 2E
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサに対応する。  This corresponds to the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0233] 第 10実施形態のイメージセンサ 2Εは、図 15から明らかなように、上位半導体回路 層 21Bと下位半導体回路層 22Βとを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的 絶縁性の接着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。上位半 導体回路層 21Bの構成は、第 9実施形態のイメージセンサ 2Dのそれと同じである。 下位半導体回路層 22Βの構成は、第 9実施形態のイメージセンサ 2Dの下位半導体 回路層 22B'から記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr を As is apparent from FIG. 15, the image sensor 2 イ メ ー ジ of the tenth embodiment includes an upper semiconductor circuit layer 21B and a lower semiconductor circuit layer 22Β, embedded wiring 23, fine bump electrodes 90, and electrical insulation. The adhesive 91 is used to mechanically and electrically connect. The configuration of the upper semiconductor circuit layer 21B is the same as that of the image sensor 2D of the ninth embodiment. The structure of the lower semiconductor circuit layer 22Β is composed of the storage capacitor elements C to C and the output transistors Tr to Tr from the lower semiconductor circuit layer 22B ′ of the image sensor 2D of the ninth embodiment.
ST1 STn OUT1 OUTn 削除した構成に等しい。  ST1 STn OUT1 OUTn Same as deleted configuration.
[0234] 以上述べたように、第 10実施形態に係るイメージセンサ 2Eでは、第 9実施形態のィ メージセンサ 2Dで述べたのと同様の理由により、全画素 11につ 、ての信号電荷の 実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能であると共に、従来の CMOSィメー ジセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像するこ とがでさる。 [0234] As described above, in the image sensor 2E according to the tenth embodiment, for the same reason as described in the image sensor 2D according to the ninth embodiment, the signal charges of all the pixels 11 are substantially equal. Simultaneous storage (substantially simultaneous shirting) is possible, and it is possible to image a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor.
[0235] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードと一つのゲート素子(M OSトランジスタ)を含むだけで済むため、一つの画素中にフォトダイオードにカ卩えて 三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、 高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができ、し力も画素 11自体の大 きさを縮小することが可能となる。  [0235] Further, each pixel 11 of the pixel block 12 only needs to include one photodiode and one gate element (MOS transistor), so three or four pixels can be arranged in one pixel. Compared to a conventional CMOS image sensor including MOS transistors, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced.
[0236] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Bの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォト ダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0236] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21B It becomes possible to increase the ratio.
[0237] (第 11実施形態)  [0237] (Eleventh embodiment)
図 16は、本発明の第 11実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Fの要部 の回路構成を示す回路図であり、図 17は、イメージセンサ 2Fの実際構造を示す要 部断面図である。このイメージセンサ 2Fは、上記第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5 参照)を使用したものであり、上位半導体回路層 21Cと下位半導体回路層 22C'を積 層して二段の三次元積層構造とされている。イメージセンサ 2Fは、本発明の第 3の観 点によるイメージセンサに対応する。 FIG. 16 shows the main part of the addressing type image sensor 2F according to the eleventh embodiment of the present invention. FIG. 17 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 2F. This image sensor 2F uses the sensor circuit 1C of the fourth embodiment (see FIG. 5). The upper semiconductor circuit layer 21C and the lower semiconductor circuit layer 22C ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stack. It is structured. The image sensor 2F corresponds to an image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0238] イメージセンサ 2Fの全体構成及び動作は、図 1に示したものと同じであり、図 16に 示された回路構成は、埋込配線 23が追加されている点を除いて、図 5の第 4実施形 態のセンサ回路 1Cと同じである。  [0238] The overall configuration and operation of the image sensor 2F are the same as those shown in FIG. 1, and the circuit configuration shown in FIG. 16 is the same as that shown in FIG. 5 except that an embedded wiring 23 is added. This is the same as the sensor circuit 1C of the fourth embodiment.
[0239] イメージセンサ 2Fは、図 16及び図 17より明らかなように、上位半導体回路層 21Cと 下位半導体回路層 22C'とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的絶縁性 の接着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。その構成は、 第 6実施形態に係るイメージセンサ 2Aの(図 7及び図 9参照)で上位半導体回路層 2 1中に形成されていた (k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TGを、その下位半導 体回路層 22'中に移したものに相当する。したがって、上位半導体回路層 21Cには 、(k X n) X m個のフォトダイオード(すなわち、(k X m)組のフォトダイオード群 PD 〜PD )と、(k X m)個の埋込配線 23のみが形成されている。  As is apparent from FIGS. 16 and 17, the image sensor 2F includes an upper semiconductor circuit layer 21C and a lower semiconductor circuit layer 22C ′, an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating layer. It is configured to be mechanically and electrically connected using an adhesive 91. The configuration is such that (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG formed in the upper semiconductor circuit layer 21 in the image sensor 2A according to the sixth embodiment (see FIGS. 7 and 9), It corresponds to the one moved into the lower semiconductor circuit layer 22 ′. Therefore, the upper semiconductor circuit layer 21C includes (k X n) X m photodiodes (that is, (k X m) sets of photodiode groups PD to PD) and (k X m) embedded wirings. Only 23 are formed.
[0240] フォトダイオード PD〜PDの構成は、第 6実施形態のイメージセンサ 2A (図 7及び 図 9参照)の場合とほぼ同様であるが、基板 40の各素子領域中に一つのフォトダイォ ードが形成されている点が異なる。例えば、フォトダイオード PDについて言えば、図 17に示すように、素子分離絶縁膜 41によって p型基板 40の表面領域に形成された 複数の素子領域の一つに、その全面にわたって n+領域 42が形成されており、当該 n +領域 42がフォトダイオード PDを形成する。基板 40には、素子分離絶縁膜 41と重 なる適当な位置に、素子分離絶縁膜 41と基板 40を上下方向に (基板 40の主面に直 交する方向に)貫通する透孔が形成されており、この透孔の基板 40に接する部分の 内壁の全面は、絶縁膜 24で覆われている。この透孔の内部(絶縁膜 24の内側と素 子分離絶縁膜 41の内部)には、導電性材料が充填されており、その導電性材料が 埋込配線 23を形成する。この埋込配線 23の上端は、基板 40 (素子分離絶縁膜 41) の表面カゝら露出しており、配線構造 47の内部に形成された配線膜 57の下面に接続 されている。配線膜 57の下面は、対応する n+領域 42の表面にも接続されているから 、 n+領域 42は埋込配線 23に電気的に接続されていることになる。埋込配線 23の下 端は、基板 40 (素子分離絶縁膜 41)の裏面カゝら露出しており、対応するバンプ電極 9 0に機械的 ·電気的に接続されて!、る。 [0240] The configuration of the photodiodes PD to PD is almost the same as that of the image sensor 2A of the sixth embodiment (see Figs. 7 and 9), but one photodiode is provided in each element region of the substrate 40. Is different. For example, in the case of the photodiode PD, as shown in FIG. 17, an n + region 42 is formed over the entire surface of one of a plurality of element regions formed on the surface region of the p-type substrate 40 by the element isolation insulating film 41. The n + region 42 forms the photodiode PD. In the substrate 40, a through-hole penetrating the element isolation insulating film 41 and the substrate 40 in the vertical direction (in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 40) is formed at an appropriate position overlapping the element isolation insulating film 41. The entire inner wall of the through hole in contact with the substrate 40 is covered with an insulating film 24. The inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material, and the conductive material forms the embedded wiring 23. The upper end of the embedded wiring 23 is exposed from the surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is connected to the lower surface of the wiring film 57 formed inside the wiring structure 47. Has been. Since the lower surface of the wiring film 57 is also connected to the surface of the corresponding n + region 42, the n + region 42 is electrically connected to the embedded wiring 23. The lower end of the embedded wiring 23 is exposed from the back surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 !.
[0241] 下位半導体回路層 22C'には、(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TGと、(k [0241] The lower semiconductor circuit layer 22C 'includes (k X m) sets of transfer gate groups TG to TG, and (k
X m)個のリセットトランジスタ Tr と、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と、(k X m  X m) reset transistors Tr, (k X m) amplifier transistors Tr, and (k X m
RST AMP  RST AMP
)組の記憶用容量素子群 C 〜C と、(k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr  ) Sets of memory capacitor groups C to C and (k X m) sets of output transistor groups Tr to Tr
ST1 STn OUT1 が形成されている。リセットトランジスタ Tr と増幅トランジスタ Tr と記憶用容 ST1 STn OUT1 is formed. Reset transistor Tr, amplification transistor Tr and memory capacity
OUTn RST AMP OUTn RST AMP
量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr は、第 6実施形態に係るィメー  The quantum elements C to C and the output transistors Tr to Tr are the same as those in the sixth embodiment.
ST1 STn OUT1 OUTn  ST1 STn OUT1 OUTn
ジセンサ 2Aの場合(図 7及び図 9参照)と同じ構成を持つので、同一要素には同一 符号を付してその説明を省略する。なお、図 17では、記憶用容量素子 C 〜C と  Since it has the same configuration as that of the disensor 2A (see FIGS. 7 and 9), the same elements are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. In FIG. 17, the storage capacitive elements C to C and
ST1 STn 出力トランジスタ Tr 〜Tr は省略されている。  ST1 STn Output transistors Tr to Tr are omitted.
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
[0242] トランスファゲート TG〜TGは、次のような構成を持つ。例えば、トランスファゲート TGについて言えば、図 17に示すように、ゲート電極 77と、このゲート電極 77を挟ん で両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 76とを含む MOSトラン ジスタカゝら構成されている。ゲート電極 77には、図示しない配線を介してトランスファ ゲート制御信号 φ が印加される。一方の n+形領域 76 (ソース'ドレイン領域)は、配  [0242] The transfer gates TG to TG have the following configuration. For example, with regard to the transfer gate TG, as shown in FIG. 17, a MOS transistor including a gate electrode 77 and a pair of n + type regions (source and drain regions) 76 formed on both sides of the gate electrode 77 is sandwiched. Jistaka et al. A transfer gate control signal φ is applied to the gate electrode 77 via a wiring (not shown). One n + region 76 (source and drain regions)
T1  T1
線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 78、 80及び 82と配線膜 79、 8 1及び 83とを介して、対応するバンプ電極 90に電気的に接続されている。その結果 、トランスファゲート TGの当該ソース'ドレイン領域は、埋込配線 23を介して、上位 半導体回路層 21 Cの対応するフォトダイオード PDに電気的に接続されていることに なる。当該 MOSトランジスタの他方の n+形領域 76 (ソース'ドレイン領域)は、配線構 造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 78と図示しない配線膜を介して、対 応するリセットトランジスタ Tr と増幅トランジスタ Tr に電気的に接続されている。  The conductive bumps 90 are electrically connected to the corresponding bump electrodes 90 through the conductive contact plugs 78, 80 and 82 formed in the line structure 74 and the wiring films 79, 81 and 83. As a result, the source / drain region of the transfer gate TG is electrically connected to the corresponding photodiode PD of the upper semiconductor circuit layer 21 C through the buried wiring 23. The other n + type region 76 (source / drain region) of the MOS transistor is amplified with the corresponding reset transistor Tr via a conductive contact plug 78 formed inside the wiring structure 74 and a wiring film (not shown). It is electrically connected to the transistor Tr.
RST AMP  RST AMP
トランスファゲート TG〜TGは、トランスファゲート TGと同じ構造を持っている。この  The transfer gates TG to TG have the same structure as the transfer gate TG. this
2 n 1  2 n 1
ようにして、下位半導体回路層 22C'内のトランスファゲート TG〜TGは、埋込配線 23を介して、上位半導体回路層 21C内のフォトダイオード PD〜PDにそれぞれ電 気的に接続されている。 [0243] 以上述べたように、図 16及び図 17に示した第 11実施形態に係るイメージセンサ 2 Fは、第 4実施形態のセンサ回路 1C (図 5参照)を適用したものであって、(k X m)個 の画素ブロック 12 (それぞれのブロック 12が n個の画素 11を含む)と(k X m)個の埋 込配線 23を上位半導体回路層 21C中に形成すると共に、(k X m)糸且のトランスファ ゲート群 TG〜TG )と(k X m)個のリセットトランジスタ Tr と(k X m)個の増幅トラ In this way, the transfer gates TG to TG in the lower semiconductor circuit layer 22C ′ are electrically connected to the photodiodes PD to PD in the upper semiconductor circuit layer 21C through the embedded wiring 23, respectively. [0243] As described above, the image sensor 2F according to the eleventh embodiment shown in FIGS. 16 and 17 is an application of the sensor circuit 1C (see FIG. 5) of the fourth embodiment. (K X m) pixel blocks 12 (each block 12 includes n pixels 11) and (k X m) embedded wirings 23 are formed in the upper semiconductor circuit layer 21C, and (k X m) thread gate transfer gate group TG to TG), (k X m) reset transistors Tr and (k X m) amplification transistors
1 n RST  1 n RST
ンジスタ Tr と(k X m)組の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr と(k X m)組の記憶  Transistor Tr and (k X m) set of select transistor groups Tr to Tr and (k X m) set of memory
AMP SEL1 SELn 用容量素子群 C 〜C と (k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr を下位  AMP SEL1 Capacitance element group for SELn C to C and (k X m) output transistor group Tr to Tr
ST1 STn OUT1 OUTn 半導体回層 22C'中に形成し、さら〖こ、埋込配線 23及びバンプ電極 90を介して、上 位半導体回路層 21C中の画素ブロック 12と、下位半導体回層 22C'中のトランスファ ゲート TG〜TGとを電気的に相互接続している。  ST1 STn OUT1 OUTn Formed in the semiconductor circuit layer 22C ', and further through the embedded wiring 23 and the bump electrode 90, the pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21C and the lower semiconductor circuit layer 22C' The transfer gates TG to TG are electrically interconnected.
[0244] また、下位半導体回路層 22C'の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電 極 90と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21Cの下方の主面 (基板 40の裏面) に電気的'機械的に接続されているので、両回路層 21Cと 22C'は二段の半導体積 層構造 (三次元構造)を構成する。  Further, the main surface above the lower semiconductor circuit layer 22C ′ (the surface of the wiring structure 74) is formed on the main surface below the upper semiconductor circuit layer 21C (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. Both circuit layers 21C and 22C constitute a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
[0245] したがって、第 4実施形態のセンサ回路 1Cについて説明したのと同じ理由により、 全画素 11についての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能 であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高 速で移動する被写体を撮像することができる。  Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit 1C of the fourth embodiment, signal charges for all the pixels 11 can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
[0246] また、画素ブロック 12の各画素 11は一つのフォトダイオードを含むだけであるから、 一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つないし四つの MOSトランジスタを含む 従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実 現することができ、し力も画素 11自体の大きさを縮小することが可能となる。特に、上 記第 5〜第 10実施形態の場合よりも小さくすることが可能である。  [0246] Also, each pixel 11 of the pixel block 12 includes only one photodiode, so that one pixel includes three or four MOS transistors in addition to the photodiode, compared to a conventional CMOS image sensor. Therefore, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized, and the size of the pixel 11 itself can be reduced. In particular, it can be made smaller than in the case of the fifth to tenth embodiments.
[0247] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Cの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォ トダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。特に、上記第 5〜第 10実施形態の場合よりも高くすることが可能である。  [0247] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21C It is possible to increase the ratio of. In particular, it can be made higher than in the case of the fifth to tenth embodiments.
[0248] さらに、出力制御信号 φ 〜φ で出力トランジスタ Tr 〜Tr を制御す  [0248] Further, output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals φ to φ.
OUT1 OUTn OUT1 OUTn ることにより、画素ブロック 12中のトランスファゲート TG〜TGと選択トランジスタ群 T r 〜Tr の開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することがでOUT1 OUTn OUT1 OUTn As a result, the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups T r to Tr in the pixel block 12 can be output to the column signal line 37 at different timings.
SEL1 SELn SEL1 SELn
きるため、記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr 〜Tr を有しない  Storage capacitors C to C and output transistors Tr to Tr
ST1 STn OUT1 OUTn  ST1 STn OUT1 OUTn
場合よりも高速の撮像が可能であるという効果もある。  There is also an effect that high-speed imaging is possible.
[0249] (第 12実施形態) [0249] (Twelfth embodiment)
図 18は、本発明の第 12実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Gの実際 構造を示す要部断面図である。このイメージセンサ 2Gは、上述した第 11実施形態の イメージセンサ 2F (図 16及び図 17参照)において、下位半導体回路層 22C'をその ままにして、上位半導体回路層 21C中の基板 40を上下逆向きにしたものに相当する 。このイメージセンサ 2Gは、本発明の第 3の観点によるアドレス指定型イメージセンサ に対応する。  FIG. 18 is a cross-sectional view of the principal part showing the actual structure of the addressing type image sensor 2G according to the twelfth embodiment of the present invention. This image sensor 2G is the same as the image sensor 2F of the eleventh embodiment described above (see FIGS. 16 and 17), with the lower semiconductor circuit layer 22C ′ being left as it is, and the substrate 40 in the upper semiconductor circuit layer 21C being turned upside down. Corresponds to the orientation. This image sensor 2G corresponds to the addressing type image sensor according to the third aspect of the present invention.
[0250] 第 12実施形態のイメージセンサ 2Gは、図 18から明らかなように、上位半導体回路 層 21Dと下位半導体回路層 22D'とを、微細なバンプ電極 90と電気的絶縁性の接 着剤 91を用いて機械的且つ電気的に接続して構成されている。下位半導体回路層 21 D 'の構成は、第 11実施形態のイメージセンサ 2Fの下位半導体回路層 21 C 'と同 じである。このイメージセンサ 2Gでは、上述した第 5〜第 11実施形態の場合とは異な り、埋込配線 23は使用されていない。  As is apparent from FIG. 18, the image sensor 2G according to the twelfth embodiment includes an upper semiconductor circuit layer 21D and a lower semiconductor circuit layer 22D ′, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating adhesive. 91 and mechanically and electrically connected. The configuration of the lower semiconductor circuit layer 21 D ′ is the same as that of the lower semiconductor circuit layer 21 C ′ of the image sensor 2F of the eleventh embodiment. In this image sensor 2G, unlike the above-described fifth to eleventh embodiments, the embedded wiring 23 is not used.
[0251] 上位半導体回路層 21Dでは、基板 40が第 11実施形態のイメージセンサ 2Fの上 位半導体回路層 21Cとは上下逆向きにされており、配線構造 47が下側に、基板 40 が上側に位置している。外部の光は、基板 40を貫通してフォトダイオード PD〜PD に照射されるので、第 11実施形態のイメージセンサ 2Fの場合よりも基板 40の厚さが 薄くされている。  [0251] In the upper semiconductor circuit layer 21D, the substrate 40 is turned upside down with respect to the upper semiconductor circuit layer 21C of the image sensor 2F of the eleventh embodiment, the wiring structure 47 is on the lower side, and the substrate 40 is on the upper side. Is located. Since external light passes through the substrate 40 and is irradiated to the photodiodes PD to PD, the thickness of the substrate 40 is made thinner than in the case of the image sensor 2F of the eleventh embodiment.
[0252] 配線構造 47の内部には、フォトダイオード PD〜PDを構成する複数の n+型領域 42の各々の表面にそれぞれ電気的'機械的に接続せしめられた導電性コンタクトプ ラグ 58と、それら導電性コンタクトプラグ 58にそれぞれ電気的 ·機械的に接続せしめ られた複数の複数の配線膜 59とが形成されている。これら配線膜 59は、配線構造 4 7の表面近傍に配置されていて、対応するバンプ電極 90に電気的'機械的に接続せ しめられている。このようにして、フォトダイオード PD〜PDは、対応するバンプ電極 90を介して、下位半導体回路層 22D'内の対応するトランスファゲート TGi TGj それぞれ電気的に接続されて!ヽる。 [0252] Inside the wiring structure 47, there are conductive contact plugs 58 electrically and mechanically connected to the respective surfaces of the plurality of n + type regions 42 constituting the photodiodes PD to PD, and those A plurality of wiring films 59 that are electrically and mechanically connected to the conductive contact plug 58 are formed. These wiring films 59 are disposed in the vicinity of the surface of the wiring structure 47 and are electrically and mechanically connected to the corresponding bump electrodes 90. In this way, the photodiodes PD to PD correspond to the corresponding bump electrodes. The corresponding transfer gates TGi and TGj in the lower semiconductor circuit layer 22D ′ are electrically connected through 90.
[0253] 図 18に示した第 12実施形態に係るイメージセンサ 2Gは、以上の構成を有するも のであるから、第 11実施形態のイメージセンサ 2Fで述べたのと同様の効果が得られ ることが明らカゝである。  [0253] Since the image sensor 2G according to the twelfth embodiment shown in FIG. 18 has the above-described configuration, the same effect as described in the image sensor 2F according to the eleventh embodiment can be obtained. Is clear.
[0254] (第 13実施形態)  [0254] (Thirteenth embodiment)
図 20は、本発明の第 13実施形態に係るセンサ回路 3の要部回路構成を示す図で ある。図 19は、このセンサ回路 3が使用されるアドレス指定型イメージセンサの全体 構成を示す機能ブロック図である。このセンサ回路 3は、本発明の第 2の観点による センサ回路に対応する。  FIG. 20 is a diagram showing a main circuit configuration of the sensor circuit 3 according to the thirteenth embodiment of the present invention. FIG. 19 is a functional block diagram showing the overall configuration of an addressing type image sensor in which the sensor circuit 3 is used. This sensor circuit 3 corresponds to the sensor circuit according to the second aspect of the present invention.
[0255] 図 19のイメージセンサの全体構成は、各リセット線 31が同じ列に属する k個の画素 ブロック 12aを貫通して設けられている点を除き、図 1に示したアドレス指定型ィメー ジセンサのそれと同一である。すなわち、(k X n)行 m列のマトリックス状に配置された (k X n) X m個の画素 11aを備えている。各画素ブロック 12aでは、同じ列に属する n 個の画素 11aがまとめられて共通ノード(図 19には表示せず。図 20では共通ノード 1 3aに対応する)に並列接続されている。  The overall configuration of the image sensor of FIG. 19 is the addressing type image sensor shown in FIG. 1 except that each reset line 31 is provided through k pixel blocks 12a belonging to the same column. Is identical to that of That is, (k X n) X m pixels 11a arranged in a matrix of (k X n) rows and m columns are provided. In each pixel block 12a, n pixels 11a belonging to the same column are grouped and connected in parallel to a common node (not shown in FIG. 19, corresponding to the common node 13a in FIG. 20).
[0256] 各画素ブロック 12aには、それぞれが画素マトリックスの対応する列に沿って延在す る m本のリセット線 31が、当該列に属する画素ブロック 12aを貫通して形成されてい る。各リセット線 31には、各画素 11a毎に一つのリセットトランジスタが接続されている 。換言すれば、画素ブロック 12aに属する n個の画素 11aにリセットトランジスタ Tr  [0256] In each pixel block 12a, m reset lines 31 each extending along a corresponding column of the pixel matrix are formed so as to penetrate through the pixel block 12a belonging to the column. Each reset line 31 is connected to one reset transistor for each pixel 11a. In other words, the n transistors 11a belonging to the pixel block 12a are connected to the reset transistor Tr.
RST1 RST1
〜Tr がそれぞれ設けられている。増幅トランジスタ T は、各画素ブロック 12a~ Tr are provided. The amplification transistor T is connected to each pixel block 12a.
RSTn AMP RSTn AMP
毎に一つ設けられている。 n個のリセットトランジスタ群 T 〜Tr は対応する画素  One is provided for each. n reset transistor groups T to Tr are the corresponding pixels
RST1 RSTn  RST1 RSTn
ブロック 12a内の n個の画素 11aの内部にそれぞれ配置され、増幅トランジスタ T  An amplifying transistor T is arranged in each of the n pixels 11a in the block 12a.
AMP  AMP
は対応する画素ブロック 12aの外部に配置されて ヽる。  Are arranged outside the corresponding pixel block 12a.
[0257] 各リセット線 31は、対応する列に属する k個の画素ブロック 12a中の画素 1 laの信 号電荷をリセットするために使用される。それらの画素 11aへのリセット用電圧 V の  [0257] Each reset line 31 is used to reset the signal charge of the pixel 1la in the k pixel blocks 12a belonging to the corresponding column. The reset voltage V to those pixels 11a
RST  RST
印加は、対応するリセットトランジスタ T 〜Tr を用いて行われる。各増幅トラン  The application is performed using the corresponding reset transistors T to Tr. Each amplification run
RST11 RSTn  RST11 RSTn
ジスタ T は、対応する画素ブロック 12aの中の画素 l laから読み出された信号を増 The register T increases the signal read from the pixel l la in the corresponding pixel block 12a.
AMP 幅して、対応する列信号線 37に送出するために使用される。各増幅トランジスタ Tr AMP Width is used to send to the corresponding column signal line 37. Each amplification transistor Tr
A  A
で増幅された信号は、対応する列信号線 37に順に送出される。  The signals amplified in (1) are sent to the corresponding column signal lines 37 in order.
MP  MP
[0258] 画素 11a及び画素ブロック 12aの構成とリセット線 31の配置以外は、図 1の構成と 同じであるから、それらに関する説明は省略する。  [0258] Except for the configuration of the pixel 11a and the pixel block 12a and the arrangement of the reset line 31, it is the same as the configuration of FIG.
[0259] 次に、図 20を参照しながら、図 19の構成を持つイメージセンサに使用される第 13 実施形態に係るセンサ回路 3について説明する。図 20は、第 j列に属する二つの画 素ブロック 12a (i, j)と 12a (i+ l, j)の回路構成を示している。  Next, a sensor circuit 3 according to a thirteenth embodiment used for an image sensor having the configuration of FIG. 19 will be described with reference to FIG. FIG. 20 shows a circuit configuration of two pixel blocks 12a (i, j) and 12a (i + 1, j) belonging to the j-th column.
[0260] 上の画素ブロック 12 (i, j)は、第 j列の第 [nx (i— 1) + 1]行〜第 (n X i)行に属す る画素 11を含む。下の画素ブロック 12 (i+ 1, j)は、第 j列の第 [n X i+ 1]行〜第 [n X (i+ 1) ]行に属する画素 11を含む。これら二つの画素ブロック 12 (i, j)と 12 (i+ 1 , j)は同一の構成を有するので、以下の説明では、主として上の画素ブロック 12 (i, j )について説明することにする。 [0260] The upper pixel block 12 (i, j) includes pixels 11 belonging to the [ n x (i−1) +1] row to the (n X i) row of the j-th column. The lower pixel block 12 (i + 1, j) includes pixels 11 belonging to the [n X i + 1] row to the [n X (i + 1)] row of the j th column. Since these two pixel blocks 12 (i, j) and 12 (i + 1, j) have the same configuration, in the following description, the upper pixel block 12 (i, j) will be mainly described.
[0261] 画素ブロック 12a (i, j)の中には、 n個の画素 11aが含まれている。換言すれば、 n 個のフォトダイオード PD〜PDと、 n個のトランスファゲート TG〜TGと、 n個のリセ ットトランジスタ Tr 〜Tr が含まれている。各画素 11aは、一つのフォトダイォー [0261] The pixel block 12a (i, j) includes n pixels 11a. In other words, n photodiodes PD to PD, n transfer gates TG to TG, and n reset transistors Tr to Tr are included. Each pixel 11a has one photo diode
RSTl RSTn  RSTl RSTn
ドと一つのトランスファゲートと一つのリセットトランジスタを含む。トランスファゲート TG 〜TGの各々は、 MOSトランジスタから構成されている。リセットトランジスタ Tr And one transfer gate and one reset transistor. Each of the transfer gates TG to TG is composed of a MOS transistor. Reset transistor Tr
1 n RSTl1 n RSTl
〜Tr の各々も、 MOSトランジスタから構成されている。フォトダイオード PD〜PEach of .about.Tr is also composed of MOS transistors. Photodiode PD ~ P
RSTn 1RSTn 1
Dの各々のアノードは、トランスファゲート TG〜TGの対応するものの一方のソース 'ドレイン領域と、リセットトランジスタ Tr 〜Tr の対応するものの一方のソース' Each anode of D is one source of the corresponding one of the transfer gates TG to TG 'the drain region and one source of the corresponding one of the reset transistors Tr to Tr'
RSTl RSTn  RSTl RSTn
ドレイン領域の接続点であるノード 15に接続され、力ソードは所定電位 (通常は接地 電位)の端子または領域に共通接続されている。リセットトランジスタ T 〜Tr の  The force sword is connected in common to a terminal or region having a predetermined potential (usually ground potential). Reset transistor T to Tr
RSTl RSTn 他方のソース'ドレイン領域は、リセット用電圧源(リセット電圧 =v )に接続されて  RSTl RSTn The other source 'drain region is connected to the reset voltage source (reset voltage = v)
RST  RST
いる。トランスファゲート TG〜TGの各々の他方のソース'ドレイン領域は、共通ノー ド 13aに共通接続されている。このように、画素ブロック 12a (i, j)の中の n個の画素 1 laは、当該画素 11a内の共通ノード 13aに並列に接続されている。  Yes. The other source'drain region of each of the transfer gates TG to TG is commonly connected to the common node 13a. Thus, the n pixels 1 la in the pixel block 12a (i, j) are connected in parallel to the common node 13a in the pixel 11a.
[0262] 画素ブロック 12a (i, j)の共通ノード 13aは、対応する増幅トランジスタ T のゲート [0262] The common node 13a of the pixel block 12a (i, j) is the gate of the corresponding amplification transistor T.
AMP  AMP
電極に接続されている。増幅トランジスタ T は、画素ブロック 12a (i, j)の外側に設  Connected to the electrode. The amplification transistor T is provided outside the pixel block 12a (i, j).
AMP けられて 、る。増幅トランジスタ T の一方のソース ·ドレイン領域は、直流電源(電 AMP I was kicked. One source / drain region of the amplification transistor T is connected to a DC power source (electrical
AMP  AMP
源電圧 =v )に接続されており、他方のソース'ドレイン領域(出力側)は、当該画素  Source voltage = v), and the other source / drain region (output side)
CC  CC
ブロック 12 (i, j)の出力端子 (すなわち、対応する列信号線 37)に接続されている。 増幅トランジスタ T の出力端子(出力側のソース'ドレイン領域)は、抵抗 Rを介して  It is connected to the output terminal of block 12 (i, j) (ie, the corresponding column signal line 37). The output terminal (source-drain region on the output side) of the amplification transistor T is connected via a resistor R
AMP  AMP
所定電位 (通常は接地電位)の端子に接続されており、ソースフォロア形式の増幅器 を構成している。ノード 15には寄生容量が生じる力 図 20では省略している。  It is connected to a terminal of a predetermined potential (usually ground potential), and constitutes a source follower type amplifier. The power at which parasitic capacitance is generated at node 15 is omitted in FIG.
[0263] 増幅トランジスタ T の出力側のソース'ドレイン領域は、対応する列信号線 37に [0263] The source-drain region on the output side of the amplification transistor T is connected to the corresponding column signal line 37.
AMP  AMP
接続されている。したがって、増幅トランジスタ T の出力信号、すなわち n個のフォ  It is connected. Therefore, the output signal of the amplification transistor T, i.e.
AMP  AMP
トダイオード PD〜PDのシリアル(時系列的な)出力信号は、対応する CDS回路 36 に順に送られる。そして、 CDS回路 36から水平信号線 33に送られる際に、水平走査 回路 35の走査によって m個の列選択信号 38を介して当該列信号線 37が選択され、 それによつて当該シリアル出力信号は水平信号線 33に送られる。その後、水平信号 線 33の一端(図 19では右端)に設けられた当該イメージセンサの出力端子(図示せ ず)まで送られる。  The serial (time-series) output signals of the photodiodes PD to PD are sequentially sent to the corresponding CDS circuit 36. Then, when sent from the CDS circuit 36 to the horizontal signal line 33, the column signal line 37 is selected via the m column selection signals 38 by the scanning of the horizontal scanning circuit 35, whereby the serial output signal is Sent to horizontal signal line 33. Thereafter, the signal is sent to an output terminal (not shown) of the image sensor provided at one end (right end in FIG. 19) of the horizontal signal line 33.
[0264] 画素ブロック 12a (i, j)の以外のすべての画素ブロック 12aは、画素ブロック 12a (i, j)と同じ構成を有しているので、上述したのと同様にして、 n個のフォトダイオード PD 〜PDのシリアル出力信号が当該イメージセンサの出力端子まで送られる。こうして 被写体の撮像が可能となる。  [0264] All the pixel blocks 12a other than the pixel block 12a (i, j) have the same configuration as the pixel block 12a (i, j). The serial output signals of the photodiodes PD to PD are sent to the output terminal of the image sensor. Thus, the subject can be imaged.
[0265] 次に、以上の構成を持つセンサ回路 3を備えたイメージセンサの動作 (信号電荷の 生成 ·蓄積力も信号の出力まで)について説明する。  [0265] Next, the operation of the image sensor including the sensor circuit 3 having the above-described configuration (signal charge generation / accumulation ability up to signal output) will be described.
[0266] 1.全画素(全フォトダイオード)のグローバルリセット  [0266] 1. Global reset of all pixels (all photodiodes)
まず、全画素 11aのフォトダイオード PD〜PDの各々に対して設けられたトランス ファゲート TG〜TG (第 1ゲート素子)を構成する n個の MOSトランジスタのゲート電 極に印加されるトランスファゲート制御信号 φ 〜 φ の論理状態を Hとし、もって全  First, the transfer gate control signal applied to the gate electrodes of the n MOS transistors constituting the transfer gates TG to TG (first gate elements) provided for the photodiodes PD to PD of all the pixels 11a. Let H be the logical state of φ to φ
Tl Tn  Tl Tn
トランスファゲート TG〜TGを導通状態とする。  Transfer gates TG to TG are turned on.
[0267] 次に、その状態で、各画素ブロック 12a内の画素 11aの各々に対して設けられたリ セットトランジスタ Tr 〜Tr のゲート電極に共通に印加されるリセット制御信号 [0267] Next, in that state, a reset control signal applied in common to the gate electrodes of the reset transistors Tr to Tr provided for each of the pixels 11a in each pixel block 12a
RST1 RSTn  RST1 RSTn
φ の論理状態を Hとし、もって全リセットトランジスタ Tr 〜Tr を導通状態に The logic state of φ is set to H, and all reset transistors Tr to Tr are turned on.
RST RST1 RSTn する。その結果、所定のリセット電圧 V 1S ノード 15を介して全画素 11aのフォトダ RST RST1 RSTn To do. As a result, the photodiodes of all the pixels 11a are passed through a predetermined reset voltage V 1S node 15.
RST  RST
ィオード PD〜PDに一括して同時に印加される。こうして、全画素 11aの一括リセッ ト、すなわち「グローバルリセット」が行われる。この時、全増幅トランジスタ Tr のゲ  The diodes are applied simultaneously to PD PD. Thus, a batch reset of all the pixels 11a, that is, a “global reset” is performed. At this time, the gain of all amplifying transistors Tr
AMP  AMP
ート電極の電圧もリセットされる。  The voltage at the gate electrode is also reset.
[0268] 2.露光 (電荷蓄積)  [0268] 2. Exposure (charge accumulation)
次に、トランスファゲート TG〜TG に印加されるトランスファゲート制御信号 φ 〜  Next, the transfer gate control signal φ to be applied to the transfer gates TG to TG
1 n T1 1 n T1
Φ の論理状態を Lとし、すべてのトランスファゲート TG〜TGを遮断状態とする。 The logic state of Φ is set to L, and all transfer gates TG to TG are turned off.
Tn I n  Tn I n
また、それと同時に、リセット制御信号 φ の論理状態を Lとして全リセットトランジス  At the same time, the logic state of the reset control signal φ
RST  RST
タ Tr 〜Tr も遮断状態とする。  The transistors Tr to Tr are also shut off.
RST1 RSTn  RST1 RSTn
[0269] その後、その状態で、全画素 11aのフォトダイオード PD〜PDに光を照射させ、全 フォトダイオード PD〜PDに一括して信号電荷を生成'蓄積させる。照射時間は通 常、数百 μ secないし ¾Cmsecとされる。  [0269] After that, in this state, the photodiodes PD to PD of all the pixels 11a are irradiated with light, and signal charges are generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD collectively. The irradiation time is usually several hundred μsec to ¾Cmsec.
[0270] 信号電荷の生成'蓄積が完了すると同時に、リセット制御信号 φ  [0270] At the same time as signal charge generation 'accumulation is completed, reset control signal φ
RSTの論理状態を H として全リセットトランジスタ Tr 〜Tr を一括して導通状態にし、さらにトランスフ  The logic state of RST is set to H, all reset transistors Tr to Tr are turned on at once, and
RST1 RSTn  RST1 RSTn
ァゲート制御信号 φ 〜 φ の論理状態を Hとして全トランスファゲート TG〜TGを  The logic state of the gate control signals φ to φ is H, and all the transfer gates TG to TG are
Tl Tn I n 導通状態とする。所定時間(例えば、 1 μ sec)経過後、リセット制御信号 φ の  Tl Tn I n Turns on. After a predetermined time (for example, 1 μsec), the reset control signal φ
RST 論理 状態を再び Lとして全リセットトランジスタ Tr 〜Tr を一括して遮断状態にし、そ  The RST logic state is set to L again and all reset transistors Tr to Tr are turned off at once.
RST1 RSTn  RST1 RSTn
れと同時に、トランスファゲート制御信号 φ 〜φ の  At the same time, the transfer gate control signals φ to φ
Tl Tn 論理状態を再び Lとして全トラ ンスファゲート TG〜TGを遮断状態とする。こうして、全共通ノード 13a (すなわち全 増幅トランジスタ Tr のゲート電極)にリセット電圧 V を一時的に印加し、全増幅ト  Tl Tn The logic state is set to L again to turn off all the transfer gates TG to TG. Thus, the reset voltage V is temporarily applied to all the common nodes 13a (that is, the gate electrodes of all the amplifying transistors Tr) to
AMP RST  AMP RST
ランジスタ Tr のゲート電圧を所定の基準電圧に設定 (リセット)する。  Set (reset) the gate voltage of the transistor Tr to the specified reference voltage.
AMP  AMP
[0271] 3.信号の読み出しとその増幅  [0271] 3. Reading and amplifying the signal
上記のようにして全フォトダイオード PD〜PDに生成 '蓄積された電荷量に比例 する信号は、電圧の形式で次のようにして各画素 11aから読み出され、増幅される。  A signal proportional to the amount of charge generated and accumulated in all the photodiodes PD to PD as described above is read out from each pixel 11a and amplified in the form of voltage as follows.
[0272] すなわち、まず、垂直走査回路 34と水平走査回路 35によって一つの画素ブロック 12aが選択されると、その画素ブロック 12a中の n個のトランスファゲート制御信号 φ  That is, first, when one pixel block 12a is selected by the vertical scanning circuit 34 and the horizontal scanning circuit 35, n transfer gate control signals φ in the pixel block 12a are selected.
Tl Tl
〜 φ の論理状態を順に L力 Hに変えてトランスファゲート TG〜TGを順に導通Change the logic state of ~ φ to L force H in order, and turn on transfer gates TG ~ TG in order
Tn I n 状態にしていく。そして、それらの導通状態を所定時間(例えば、 0. 1 μ sec)保持し た後、順にそれらの論理状態を Lに戻していく。こうして、当該画素ブロック 12中の全 フォトダイオード PD〜PD力も信号力 ード 14に時系列的に読み出される。その間 、全リセットトランジスタ Tr 〜Tr は遮断状態に保持される。 Go to Tn I n state. These conduction states are maintained for a predetermined time (for example, 0.1 μsec). After that, the logical state is returned to L in order. In this way, all the photodiodes PD to PD in the pixel block 12 are also read out in time series as the signal force 14. In the meantime, all the reset transistors Tr to Tr are held in the cut-off state.
RST1 RSTn  RST1 RSTn
[0273] ノード 13aにソースフォロア形式で接続された増幅トランジスタ Tr は、そのゲート  [0273] The amplification transistor Tr connected to the node 13a in the source follower form is the gate of the amplification transistor Tr.
AMP  AMP
電極がノード 13aに接続されているので、ノード 13aに読み出された信号は直ちに当 該増幅トランジスタ Tr で増幅される。そして、増幅された信号は、当該増幅トラン  Since the electrode is connected to the node 13a, the signal read out to the node 13a is immediately amplified by the amplification transistor Tr. The amplified signal is then transferred to the amplification transistor.
AMP  AMP
ジスタ Tr の出力端子側のソース'ドレイン領域力ゝら列信号線 37に向けて出力され The source / drain region force on the output terminal side of the transistor Tr is output toward the column signal line 37.
AMP AMP
る。  The
[0274] 当該画素ブロック 12a中の n個の画素 l la、すなわちフォトダイオード PD〜PD力 ら信号を読み出して増幅する際に、一つの画素 11a (例えば、フォトダイオード PD ) 力 の信号の読み出しと増幅が完了してから、次の画素 11a (例えば、フォトダイォー ド PD )の信号の読み出しが開始するまでの間に、上述したように、当該画素 11a用 [0274] When reading and amplifying a signal from n pixels l la in the pixel block 12a, that is, the photodiode PD to PD force, the signal of one pixel 11a (for example, photodiode PD) force is read out. As described above, after the amplification is completed and before reading of the signal of the next pixel 11a (for example, photodiode PD) starts,
2 2
のリセットトランジスタ Tr を導通状態にすることによってリセット電圧 V をノード 1  The reset voltage V is applied to the node 1 by turning on the reset transistor Tr.
RST1 RST  RST1 RST
3aに一時的に印加し、もって当該ノード 13a (増幅トランジスタ Tr のゲート電極)を  3a is temporarily applied, so that the node 13a (the gate electrode of the amplification transistor Tr)
AMP  AMP
基準電位に設定する(リセットする)必要がある。これは、そうしないと、先の画素 l la ( 例えば、フォトダイオード PD )からの信号の影響が残って次の画素 11a (例えば、フ オトダイオード PD )力もの信号に誤差が生じる恐れがあるからである。  It is necessary to set (reset) the reference potential. Otherwise, the influence of the signal from the previous pixel l la (for example, photodiode PD) may remain and an error may occur in the signal of the next pixel 11a (for example, photodiode PD). It is.
2  2
[0275] 当該画素ブロック 12a中には n個の画素 11a (n個のフォトダイオード PD〜PD )が あるから、トランスファゲート制御信号 φ 〜φ による読み出し動作の総回数は η回  [0275] Since there are n pixels 11a (n photodiodes PD to PD) in the pixel block 12a, the total number of read operations by the transfer gate control signals φ to φ is η times.
Tl Τη  Tl Τη
、増幅トランジスタ Tr による増幅動作の総回数は n回、増幅トランジスタ Tr のリ  The total number of amplification operations by the amplification transistor Tr is n.
AMP AMP  AMP AMP
セット動作の総回数は n回となる。  The total number of set operations is n.
[0276] 具体的に説明すると、例えば、最初に、当該画素ブロック 12aの 1番目のトランスフ ァゲート TGを一時的に導通状態にして、 1番目のフォトダイオード PDに蓄積された 信号電荷に比例する信号をノード 13aに読み出す。その信号は直ちに増幅トランジ スタ Tr で増幅され、得られた増幅信号は列信号線 37に向けて送られる。続 、て、 [0276] Specifically, for example, first, the first transfer gate TG of the pixel block 12a is temporarily turned on, and the signal proportional to the signal charge accumulated in the first photodiode PD. To node 13a. The signal is immediately amplified by the amplification transistor Tr, and the obtained amplified signal is sent to the column signal line 37. Continued
AMP AMP
このフォトダイオード PDに接続されたリセットトランジスタ Tr を一時的に導通状態  The reset transistor Tr connected to this photodiode PD is temporarily turned on.
1 RST1  1 RST1
にして、リセット電圧 V をノード 13aに一時的に印加し、もって増幅トランジスタ Tr  The reset voltage V is temporarily applied to the node 13a, so that the amplification transistor Tr
RST AM  RST AM
のゲート電極 (ノード 14)を基準電位にリセットする。 [0277] その後、当該画素ブロック 12aの 2番目のトランスファゲート TGを一時的に導通状 Reset the gate electrode (node 14) to the reference potential. [0277] After that, the second transfer gate TG of the pixel block 12a is temporarily turned on.
2  2
態にして、 2番目のフォトダイオード PDに蓄積された信号電荷に比例する信号をノ  A signal proportional to the signal charge stored in the second photodiode PD.
2  2
ード 13aに読み出す。その信号は直ちに増幅トランジスタ Tr で増幅され、得られ  Read to mode 13a. The signal is immediately amplified by the amplifying transistor Tr and obtained.
AMP  AMP
た増幅信号は列信号線 37に向けて送られる。続いて、このフォトダイオード PDに接  The amplified signal is sent to the column signal line 37. Next, contact the photodiode PD.
2 続されたリセットトランジスタ Tr を一時的に導通状態にして、増幅トランジスタ Tr  2 The connected reset transistor Tr is temporarily turned on, and the amplification transistor Tr
RST2 A のゲート電極 (ノード 14)を基準電位にリセットする。さらに、 3番目のフォトダイォー Reset the gate electrode (node 14) of RST2 A to the reference potential. In addition, the third photodio
MP MP
ド PD、 4番目のフォトダイオード PDというように、上記と同じ動作が順に繰り返され The same operation as above is repeated in order, such as PD and fourth photodiode PD.
3 4 3 4
る。最後に、 n番目のフォトダイオード PDについての読み出し動作と増幅動作を実 行すると、当該画素ブロック 12aにつ!/、ての処理が終了する。  The Finally, when the read operation and amplification operation for the nth photodiode PD are executed, the processing for the pixel block 12a is completed.
[0278] 図 1のイメージセンサでは、当該画素ブロック 12aに対応する増幅トランジスタ Tr  In the image sensor of FIG. 1, the amplification transistor Tr corresponding to the pixel block 12a
AMP  AMP
の出力端子が一つであるから、当該画素ブロック 12a中の全フォトダイオード PD〜P D力も得られる n個の信号が、当該増幅トランジスタ Tr の出力端子側のソース'ド n AMP  Since there is only one output terminal, n signals from which all the photodiodes PD to PD in the pixel block 12a can also be obtained are connected to the source terminal n AMP on the output terminal side of the amplification transistor Tr.
レイン領域力も列信号線 37に向けて時系列的に順に出力される。つまり、当該画素 ブロック 12aから出力される信号は、フォトダイオード PD〜PDの信号電荷の量(照 射された光の量)を反映する n個のパルス波形が所定間隔をあけて連結された一つ のシリアル信号となる。  The rain region force is also output in sequence toward the column signal line 37 in time series. In other words, the signal output from the pixel block 12a is a signal in which n pulse waveforms reflecting the amount of signal charges (the amount of irradiated light) of the photodiodes PD to PD are connected at a predetermined interval. One serial signal.
[0279] 上記イメージセンサ(図 19参照)は、合計で (kX m)個の画素ブロック 12aを有する から、全画素 11aが走査される間に、上述した動作が (k X m)回繰り返されることにな る。  [0279] Since the image sensor (see Fig. 19) has a total of (kXm) pixel blocks 12a, the above-described operation is repeated (kXm) times while all the pixels 11a are scanned. It will be.
[0280] 当該画素ブロック 12aから出力される信号、すなわち、 n個のパルスが所定間隔を あけて連結された一つのシリアル信号は、公知のサンプル'アンド'ホールド回路や A ZD変換回路に送られ、所定の信号処理が行われる。  [0280] A signal output from the pixel block 12a, that is, one serial signal in which n pulses are connected at a predetermined interval, is sent to a known sample 'and' hold circuit or AZD conversion circuit. Predetermined signal processing is performed.
[0281] 現在の現実的な最高シャツタスピード (つまり最短の信号電荷蓄積期間)は(1Z80 00)秒( = 125 sec)である。したがって、(kX m)個の画素ブロック 12aの各々につ いて、リセットトランジスタ Tr 〜Tr によるノード 13a (増幅トランジスタ Tr の  [0281] The current realistic maximum shatter speed (that is, the shortest signal charge accumulation period) is (1Z80 00) seconds (= 125 sec). Therefore, for each of the (kXm) pixel blocks 12a, the node 13a (of the amplifying transistor Tr) is formed by the reset transistors Tr to Tr.
RSTl RSTn AMP ゲート電極)のリセット動作を必要回数 (つまり n回)実行するのに要する時間(総リセ ット時間)と、当該画素ブロック 12a中の全画素 11a (フォトダイオード PD〜PD )から の信号を対応する増幅トランジスタ Tr で増幅するのに要する時間(総増幅時間) の和を求め、その和の(k X m)倍の時間力 最短の信号電荷蓄積期間( = 125 se c)よりも十分小さくなるように n値 (各画素ブロック 12a中の画素 11aの総数)を設定す れば、全画素ブロック 12aに属する画素 11a (フォトダイオード PD〜PD )について の信号電荷の蓄積 (露光)が実質的に同時に行われることになる。換言すれば、全画 素 11aについての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能とな る。 RSTl RSTn AMP gate electrode) reset operation required number of times (that is, n times) (total reset time) and the time from all the pixels 11a (photodiodes PD to PD) in the pixel block 12a Time required to amplify the signal with the corresponding amplification transistor Tr (total amplification time) N times (total number of pixels 11a in each pixel block 12a) so that it is sufficiently smaller than the shortest signal charge accumulation period (= 125 sec) Is set, signal charge accumulation (exposure) is performed substantially simultaneously on the pixels 11a (photodiodes PD to PD) belonging to all the pixel blocks 12a. In other words, the signal charges for all the pixels 11a can be accumulated substantially simultaneously (substantially simultaneous shirting).
[0282] また、全画素ブロック 12aの各々力も独立して(k X m)個の出力シリアノレ信号が出 力されるので、これら出力シリアル信号に対してアナログ ·デジタル (AZD)変換等の 処理を並列して行うことができる。よって、従来の CMOSイメージセンサにおけるもの よりも高速でデータ処理が可能となる。これも、実質的同時シャツタ化の実現に貢献 するものである。  [0282] In addition, each power of all pixel blocks 12a outputs (k X m) output serial signals independently, so that these output serial signals are processed by analog-digital (AZD) conversion and the like. Can be done in parallel. Therefore, data processing can be performed at a higher speed than that in the conventional CMOS image sensor. This also contributes to the realization of practical simultaneous shirting.
[0283] 上述した動作から明らかなように、 1フレーム内で見ると、各画素ブロック 12aから出 力されるシリアル出力信号は、走査期間の終わりに近いものほど、当該走査期間の 始めに生成 '出力されたものよりも、わずかではあるが電荷蓄積期間が長くなる。この ため、いっそう忠実度の高い画像データを得たい場合や、 n値を大きくしたい場合は 、電荷蓄積期間の変化に応じた信号補正を行う公知の回路を後段に設けてもよい。 そうすれば、電荷蓄積期間の変動の影響を抑制あるいは回避することができるからで ある。  As is clear from the above-described operation, when viewed within one frame, the serial output signal output from each pixel block 12a is generated at the beginning of the scanning period as the closer to the end of the scanning period, ' The charge accumulation period is slightly longer than the output one. For this reason, when it is desired to obtain image data with higher fidelity or to increase the n value, a known circuit that performs signal correction in accordance with the change in the charge accumulation period may be provided in the subsequent stage. This is because the influence of fluctuations in the charge accumulation period can be suppressed or avoided.
[0284] このようにして実質的に同時シャツタ化が可能となることにより、従来の CMOSィメ ージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高速で移動する被写体を撮像する ことがでさるよう〖こなる。  [0284] By enabling simultaneous shirting in this manner, it is possible to capture a subject moving at high speed without causing image distortion in a conventional CMOS image sensor. .
[0285] さらに、各画素ブロック 12aに対して、当該画素ブロック 12aの外側に共通の増幅ト ランジスタ Tr が設けられているため、当該画素ブロック 12a中の各画素 11aは一  [0285] Furthermore, since a common amplification transistor Tr is provided outside the pixel block 12a for each pixel block 12a, each pixel 11a in the pixel block 12a is assigned to one pixel block 12a.
AMP  AMP
つのフォトダイオードと一つのゲート素子(MOSトランジスタ)と一つのリセットトランジ スタ(MOSトランジスタ)を含むだけで済む。したがって、一つの画素中にフォトダイ オードに加えて三つないし四つの MOSトランジスタを含む従来の CMOSイメージセ ンサに比べて、高い画素開口率 (例えば、 60%程度)を実現することができる。この 画素開口率は、一つのフォトダイオードと一つのゲート素子だけを含む第 1実施形態 のセンサ回路 1を用いたイメージセンサ(図 1及び図 2を参照)に比べると、リセットトラ ンジスタの分だけ低くなる。 It only needs to include one photodiode, one gate element (MOS transistor) and one reset transistor (MOS transistor). Therefore, a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) can be realized as compared with a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel. This pixel aperture ratio includes only one photodiode and one gate element in the first embodiment. Compared to an image sensor using the sensor circuit 1 (see Fig. 1 and Fig. 2), it is lower by the reset transistor.
[0286] なお、従来の CMOSイメージセンサでは、走査線の数に応じて信号処理がシリア ルに行われるため、高速の AZD変換回路が必要である力 この第 13実施形態のセ ンサ回路 3を用いたイメージセンサでは、 n値を走査線数よりも小さく設定して並列度 を上げることにより、増幅トランジスタ Tr の各々のシリアル出力信号の処理速度を In the conventional CMOS image sensor, signal processing is performed serially in accordance with the number of scanning lines. Therefore, a force that requires a high-speed AZD conversion circuit is required. In the image sensor used, the processing speed of each serial output signal of the amplification transistor Tr is increased by setting the n value to be smaller than the number of scanning lines and increasing the parallelism.
AMP  AMP
遅くすることが可能となる。このため、より簡単な構成の AZD変換回路を使用できる という効果もある。  It becomes possible to slow down. For this reason, there is an effect that an AZD conversion circuit having a simpler configuration can be used.
[0287] また、 n個のフォトダイオード PD〜PD力 の n個の出力信号力 シリアルに連結さ れた形態で増幅トランジスタ Tr の各々カゝら出力されるため、増幅トランジスタ Tr  [0287] In addition, n output signal powers of n photodiodes PD to PD force are output from each of the amplification transistors Tr in a serially connected form, so that the amplification transistor Tr
AMP AM  AMP AM
の各々の出力端子に接続される次段の配線が簡単になるという効果もある。  There is also an effect that the next-stage wiring connected to each of the output terminals is simplified.
P  P
[0288] (第 14実施形態)  [0288] (Fourteenth embodiment)
図 21は、本発明の第 14実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 4の要部の 回路構成を示す回路図であり、図 23はそのイメージセンサ 4の実際構造を示す要部 断面図である。このイメージセンサ 4は、上述した第 13実施形態のセンサ回路 3 (図 2 0参照)において、各画素ブロック 12aに対して設けられた増幅トランジスタ Tr の  FIG. 21 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 4 according to the fourteenth embodiment of the present invention, and FIG. 23 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 4. . The image sensor 4 includes an amplification transistor Tr provided for each pixel block 12a in the sensor circuit 3 (see FIG. 20) of the thirteenth embodiment described above.
AMP  AMP
出力側のソース'ドレイン領域に、 n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr (第 2ゲート  In the source and drain regions on the output side, n select transistors Tr to Tr (second gate
SELl SELn  SELl SELn
素子)が接続されていて、増幅された n個のフォトダイオード PD〜PDからの n個の 出力信号が、選択トランジスタ Tr 〜Tr を介して並列的に出力されるようにした  Device) and n output signals from n photodiodes PD to PD amplified are output in parallel via select transistors Tr to Tr
SELl SELn  SELl SELn
センサ回路を使用しており、上位半導体回路層 21Eと下位半導体回路層 22Eを積 層して二段の三次元積層構造とされている。このイメージセンサ 4は、本発明の第 4の 観点によるイメージセンサに対応し、その中に使用されているセンサ回路は、本発明 の第 2の観点によるセンサ回路に対応する。  A sensor circuit is used, and the upper semiconductor circuit layer 21E and the lower semiconductor circuit layer 22E are stacked to form a two-stage three-dimensional stacked structure. The image sensor 4 corresponds to the image sensor according to the fourth aspect of the present invention, and the sensor circuit used therein corresponds to the sensor circuit according to the second aspect of the present invention.
[0289] イメージセンサ 4の全体構成及び動作は、図 19に示したものと同じであるから、それ らに関する説明は省略する。また、図 21の回路構成は、図 20の第 13実施形態のセ ンサ回路 3に n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr (第 2ゲート素子)を追加したもの [0289] The overall configuration and operation of the image sensor 4 are the same as those shown in FIG. 19, and a description thereof will be omitted. The circuit configuration of FIG. 21 is obtained by adding n selection transistors Tr to Tr (second gate elements) to the sensor circuit 3 of the thirteenth embodiment of FIG.
SELl SELn  SELl SELn
(記憶用容量素子と出力トランジスタは有しない)であるから、図 20と同一の要素には 同一の符号を付してその説明は省略する。ただし、このイメージセンサ 4では、上位 半導体回路層 21E中に形成された各画素ブロック 12aの共通ノード 13aと、下位半 導体回路層 22E中に形成された増幅トランジスタ Tr のゲート電極とを電気的に接 (There is no storage capacitor and no output transistor), so the same elements as in FIG. However, this image sensor 4 The common node 13a of each pixel block 12a formed in the semiconductor circuit layer 21E is electrically connected to the gate electrode of the amplification transistor Tr formed in the lower semiconductor circuit layer 22E.
AMP  AMP
続するために、公知の埋込配線 23を使用していることから、埋込配線 23と、当該埋 込配線 23によって生じる寄生抵抗 Rと寄生容量 C 及び C が図 21に追加されてい  In order to continue, since the well-known embedded wiring 23 is used, the embedded wiring 23 and the parasitic resistance R and the parasitic capacitances C and C caused by the embedded wiring 23 are added to FIG.
0 01 02  0 01 02
る。埋込配線 23は、各画素ブロック 12a (つまり、 n個の画素 11a)に対して一つ設け られている。  The One embedded wiring 23 is provided for each pixel block 12a (ie, n pixels 11a).
[0290] 次に、イメージセンサ 4の実際構造について説明する。  Next, the actual structure of the image sensor 4 will be described.
[0291] イメージセンサ 4は、図 23から明らかなように、上位半導体回路層 21Eと下位半導 体回路層 22Eとを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と電気的絶縁性の接着剤 91 とを用いて、機械的且つ電気的に接続して構成されている。  As is apparent from FIG. 23, the image sensor 4 includes an upper semiconductor circuit layer 21E and a lower semiconductor circuit layer 22E, embedded wiring 23, fine bump electrodes 90, and an electrically insulating adhesive. 91, and mechanically and electrically connected.
[0292] 上位半導体回路層 21Eには、(kXm)個の画素ブロック 12a、つまり(kXn) Xm個 の画素 11aが形成されている。したがって、上位半導体回路層 21Eは、(kXn) Xm 個のフォトダイオード(すなわち、(kXm)組のフォトダイオード群 PD〜PD )と、(k Xn) Xm個のトランスファゲート(すなわち、(kXm)組のトランスファゲート群 TG〜 TG )と、(kXn) Xm個のリセットトランジスタ(すなわち、(kXm)組のリセットトランジ スタ群 Tr 〜Tr )とを含んでいる。上位半導体回路層 21Eには、さらに、(kX  [0292] In the upper semiconductor circuit layer 21E, (kXm) pixel blocks 12a, that is, (kXn) Xm pixels 11a are formed. Therefore, the upper semiconductor circuit layer 21E includes (kXn) Xm photodiodes (that is, (kXm) photodiode groups PD to PD) and (k Xn) Xm transfer gates (that is, (kXm) groups. Transfer gate groups TG to TG) and (kXn) Xm reset transistors (that is, (kXm) sets of reset transistor groups Tr 1 to Tr 3). The upper semiconductor circuit layer 21E further includes (kX
RST1 RSTn  RST1 RSTn
m)個の埋込配線 23が形成されて 、る。  m) The embedded wiring 23 is formed.
[0293] 下位半導体回路層 22Eには、(kXm)個の増幅トランジスタ Tr と、(kXn) Xm [0293] The lower semiconductor circuit layer 22E includes (kXm) amplifying transistors Tr and (kXn) Xm
AMP  AMP
個の選択トランジスタ (すなわち、(kXm)組の選択トランジスタ群 Tr 〜Tr )が  Select transistors (that is, (kXm) sets of select transistor groups Tr to Tr)
SEL1 SELn 形成されている。  SEL1 SELn is formed.
[0294] 上位半導体回路層 21Eでは、 p型の単結晶 Si基板 40の表面領域に、所定パター ンで素子分離絶縁膜 41が形成されており、それによつて図 23のレイアウトとなるよう に、(kXn) Xm個の素子領域がマトリックス状に並んで形成されている。それら素子 領域の各々がーつの画素 11aに対応する。  [0294] In the upper semiconductor circuit layer 21E, the element isolation insulating film 41 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 40, so that the layout of FIG. (KXn) Xm element regions are formed in a matrix. Each of these element regions corresponds to one pixel 11a.
[0295] 画素ブロック 12a (i, j)に対応する素子領域の内部には、 n個のフォトダイオード PD  [0295] Inside the element region corresponding to the pixel block 12a (i, j), n photodiodes PD
〜PDと、 n個のトランスファゲート TG〜TGと、 n個のリセットトランジスタ Tr 〜 ~ PD, n transfer gates TG ~ TG, n reset transistors Tr ~
I n I n RST1I n I n RST1
Tr が形成されている。例えば、フォトダイオード PDは、図 23に示すように、 p型Tr is formed. For example, the photodiode PD is a p-type as shown in FIG.
RSTn 1 RSTn 1
基板 40に形成された n+形領域 42から構成される(つまり p—n接合フォトダイオード である)。トランスファゲート TGは、ゲート電極 44と、このゲート電極 44を挟んで n+ 形領域 42に対向している n+形領域 43とを含む MOSトランジスタによって形成され ている。トランスファゲート TGは、フォトダイオード PDの n+形領域 42を共用してい るため、トランスファゲート TGの一方のソース'ドレイン領域力 フォトダイオード PD のアノードと電気的に接続されていることになる。ゲート電極 44と基板 40の表面の間 に存在するゲート絶縁膜は、図 23では省略している。ゲート電極 44は、基板 40の表 面に形成された配線構造 47中の配線を介して、対応する読出制御線 32に電気的に 接続されている。 N + region 42 formed on substrate 40 (ie p-n junction photodiode) Is). The transfer gate TG is formed of a MOS transistor including a gate electrode 44 and an n + type region 43 facing the n + type region 42 with the gate electrode 44 interposed therebetween. Since the transfer gate TG shares the n + type region 42 of the photodiode PD, it is electrically connected to the anode of the photodiode PD of one source'drain region force of the transfer gate TG. The gate insulating film existing between the gate electrode 44 and the surface of the substrate 40 is omitted in FIG. The gate electrode 44 is electrically connected to the corresponding read control line 32 via the wiring in the wiring structure 47 formed on the surface of the substrate 40.
[0296] リセットトランジスタ Tr は、ゲート電極 49と、このゲート電極 44を挟んで n+形領  [0296] The reset transistor Tr is composed of a gate electrode 49 and an n + type sandwiching the gate electrode 44 therebetween.
RST1  RST1
域 42に対向している n+形領域 43aとを含む MOSトランジスタによって形成されてい る。リセットトランジスタ Tr は、フォトダイオード PDの n+形領域 42を共用している  This is formed by a MOS transistor including an n + type region 43a facing the region 42. The reset transistor Tr shares the n + region 42 of the photodiode PD.
RST1 1  RST1 1
ため、リセットトランジスタ Tr の一方のソース ·ドレイン領域が、フォトダイオード PD  Therefore, one source / drain region of the reset transistor Tr is connected to the photodiode PD.
RST1  RST1
のアノードと電気的に接続されて 、ること〖こなる。 n+形領域 43a (ソース ·ドレイン領 域)〖こは、図示しない配線を介してリセット電圧 V が印加される。  Being electrically connected to the anode of this, it is quite different. The n + type region 43a (source / drain region) is applied with a reset voltage V via a wiring (not shown).
RST  RST
[0297] 他のフォトダイオード PD〜PDとトランスファゲート TG〜TGとリセットトランジスタ  [0297] Other photodiodes PD to PD and transfer gate TG to TG and reset transistor
2 n 2 n  2 n 2 n
Tr 〜Tr は、それぞれ、フォトダイオード PDとトランスファゲート TGとリセットト Tr to Tr are the photodiode PD, transfer gate TG, and reset transistor, respectively.
RST2 RSTn 1 1 ランジスタ Tr と同様の構成を持つ。 RST2 RSTn 1 1 Has the same configuration as the transistor Tr.
RST1  RST1
[0298] 配線構造 47の内部には、所定パターンで形成された配線膜 46と、その配線膜 46 に対してトランスファゲート TG〜TGの n個の n+形領域 43を電気的に接続する n個 の導電性コンタクトプラグ 45とが形成されている。画素ブロック 12a (i, j)中の n個のト ランスファゲート TG〜TGは、それらコンタクトプラグ 45によって配線膜 46にそれぞ れ電気的に接続されているから、トランスファゲート TG〜TGは共通ノード 13aに並 列に接続されていることになる。  [0298] Inside the wiring structure 47, there are n wiring films 46 formed in a predetermined pattern and n n + type regions 43 of the transfer gates TG to TG are electrically connected to the wiring film 46. The conductive contact plug 45 is formed. Since the n transfer gates TG to TG in the pixel block 12a (i, j) are electrically connected to the wiring film 46 by the contact plugs 45, the transfer gates TG to TG are common. This means that it is connected to node 13a in parallel.
[0299] 上位半導体回路層 21E内の n+形領域 43は、 FD (浮遊拡散)領域の機能、すなわ ち光電変換によりフォトダイオード PD〜PDに蓄積された信号電荷量を電圧信号に 変換する機能を有している。  [0299] The n + type region 43 in the upper semiconductor circuit layer 21E is a function of the FD (floating diffusion) region, that is, a function of converting the signal charge accumulated in the photodiodes PD to PD into a voltage signal by photoelectric conversion. have.
[0300] 基板 40には、トランスファゲート TG〜TGの n+型領域(ソース'ドレイン領域) 43 に隣接する素子分離絶縁膜 41と重なる位置に、素子分離絶縁膜 41と基板 40を上 下方向に(基板 40の主面に直交する方向に)貫通する(k X m)個の透孔が形成され ている。この透孔の基板 40に接する部分の内壁の全面は、絶縁膜 24で覆われてい る。この透孔の内部 (絶縁膜 24の内側と素子分離絶縁膜 41の内部)には、導電性材 料が充填されており、その導電性材料が埋込配線 23を形成する。この埋込配線 23 の上端は、基板 40 (素子分離絶縁膜 41)の表面カゝら露出しており、配線構造 47の内 部に形成された導電性コンタクトプラグ 23aの下端に接続されている。この導電性コ ンタクトプラグ 23aの上端は、配線構造 47の内部に形成された配線膜 46に接続され ている。したがって、埋込配線 23は、導電性コンタクトプラグ 23aを介して対応する配 線膜 46に電気的に接続されている。その結果、画素ブロック 12a (i, j)の n個のトラン スファゲート TG〜TGの n+型領域(ソース'ドレイン領域) 43は、図 21に示した回路 構成のように、対応する埋込配線 23に電気的に共通接続されていることになる。各 埋込配線 23の下端は、基板 40の裏面力も露出していて、その下端において対応す るバンプ電極 90に機械的 ·電気的に接続されて!ヽる。 [0300] The element isolation insulating film 41 and the substrate 40 are placed on the substrate 40 at a position overlapping the element isolation insulating film 41 adjacent to the n + type regions (source and drain regions) 43 of the transfer gates TG to TG. There are (k X m) through holes penetrating downward (in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 40). The entire inner wall of the portion of the through hole in contact with the substrate 40 is covered with the insulating film 24. The inside of the through hole (the inside of the insulating film 24 and the inside of the element isolation insulating film 41) is filled with a conductive material, and the conductive material forms the embedded wiring 23. The upper end of the embedded wiring 23 is exposed from the surface of the substrate 40 (element isolation insulating film 41) and is connected to the lower end of the conductive contact plug 23a formed inside the wiring structure 47. . The upper end of the conductive contact plug 23 a is connected to a wiring film 46 formed inside the wiring structure 47. Therefore, the embedded wiring 23 is electrically connected to the corresponding wiring film 46 through the conductive contact plug 23a. As a result, the n + type regions (source and drain regions) 43 of the n transfer gates TG to TG of the pixel block 12a (i, j) correspond to the corresponding embedded wirings 23 as in the circuit configuration shown in FIG. Are electrically connected to each other. At the lower end of each embedded wiring 23, the back surface force of the substrate 40 is also exposed, and mechanically and electrically connected to the corresponding bump electrode 90 at the lower end.
[0301] 下位半導体回路層 22Eでは、 p型の単結晶 Si基板 60の表面領域に、所定パター ンで素子分離絶縁膜 61が形成されており、それによつて所定数の増幅トランジスタ T r 用の素子領域と、所定数の選択トランジスタ Tr 〜Tr 用の素子領域が形[0301] In the lower semiconductor circuit layer 22E, the element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60, and accordingly, a predetermined number of amplification transistors T r are used. An element area and an element area for a predetermined number of select transistors Tr to Tr are formed.
AMP SEL1 SELn AMP SEL1 SELn
成されている。ここでは一つの画素ブロック 12a (i, j)に対応する構成について説明 する。  It is made. Here, the configuration corresponding to one pixel block 12a (i, j) will be described.
[0302] 増幅トランジスタ Tr は、ゲート電極 65と、このゲート電極 65を挟んで両側に形成  [0302] The amplification transistor Tr is formed on both sides of the gate electrode 65 with the gate electrode 65 interposed therebetween.
AMP  AMP
された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64とを含む MOSトランジスタ力も構成 されている。ゲート電極 65は、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトブラ グ 71と配線膜 72と導電性コンタクトプラグ 74aと配線膜 75を介して、対応するバンプ 電極 90に電気的に接続されている。その結果、増幅トランジスタ Tr のゲート電極  A MOS transistor force including a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 is also formed. The gate electrode 65 is electrically connected to the corresponding bump electrode 90 through the conductive contact plug 71, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed inside the wiring structure 74. Yes. As a result, the gate electrode of the amplification transistor Tr
AMP  AMP
は、対応する埋込配線 23を介して、上位半導体回路層 21の対応する共通ノード 13 a (画素ブロック 12a (i, j) )に電気的に接続されていることになる(図 21参照)。また、 一方の n+形領域 64 (ソース'ドレイン領域)は、配線構造 74の内部に形成された導 電性コンタクトプラグ 69を介して、配線構造 74の内部に形成された配線膜 73に電気 的に接続されている。他方の n+形領域 64 (ソース'ドレイン領域)には、図示しない配 線を介して電源電圧 V が印加される。 Is electrically connected to the corresponding common node 13 a (pixel block 12 a (i, j)) of the upper semiconductor circuit layer 21 via the corresponding embedded wiring 23 (see FIG. 21). . One n + type region 64 (source / drain region) is electrically connected to the wiring film 73 formed in the wiring structure 74 through the conductive contact plug 69 formed in the wiring structure 74. It is connected to the. The other n + type region 64 (source / drain region) has a layout (not shown). The supply voltage V is applied via the line.
CC  CC
[0303] n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr の各々は、ゲート電極 67と、このゲート電極 6  [0303] Each of the n selection transistors Tr 1 to Tr 4 includes a gate electrode 67 and a gate electrode 6
SELl SELn  SELl SELn
7を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66とを含む M OSトランジスタ力も構成されて 、る。一方の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 66は、 配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 70と配線膜 73を介して、対 応する増幅トランジスタ Tr の一方の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 64に電気的  A MOS transistor force including a pair of n + -type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of 7 is also formed. One n + type region (source / drain region) 66 is connected to one n + type region (source) of the corresponding amplifying transistor Tr via the conductive contact plug 70 and the wiring film 73 formed in the wiring structure 74. 'Drain region) 64 to electrical
AMP  AMP
に接続されている。ゲート電極 67は、配線構造 74の内部に形成された配線を介して 、出力選択線 39に電気的に接続されている。選択トランジスタ Tr 〜Tr のゲー  It is connected to the. The gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74. Select transistor Tr to Tr gate
SELl SELn ト電極 67には、対応する出力選択線 39を介して所定の出力選択信号 φ 〜 φ  The SELl SELn electrode 67 has a predetermined output selection signal φ to φ via the corresponding output selection line 39.
SELl SEL がそれぞれ印加される。  SELl SEL is applied respectively.
[0304] 以上述べたように、図 23に示した第 14実施形態に係るイメージセンサ 4は、図 21 に示したセンサ回路を適用したものであって、(k X m)組のフォトダイオード群 PD〜 PDと(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TGと(k X m)組のリセットトランジスタ 群 Tr 〜Tr と、(k X m)個の埋込配線 23を上位半導体回路層 21E中に形成[0304] As described above, the image sensor 4 according to the fourteenth embodiment shown in FIG. 23 applies the sensor circuit shown in FIG. 21, and includes (k X m) sets of photodiode groups. PD to PD and (k X m) transfer gate groups TG to TG and (k X m) reset transistor groups Tr to Tr and (k X m) embedded wirings 23 are connected to the upper semiconductor circuit layer 21E. Formed in
RST1 RSTn RST1 RSTn
すると共に、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と (k X m)組の選択トランジスタ群 Tr  In addition, (k X m) amplifying transistors Tr and (k X m) selection transistor groups Tr
AMP  AMP
〜Tr を下位半導体回層 22E中に形成し、さらに、埋込配線 23及びバンプ電 ~ Tr are formed in the lower semiconductor layer 22E, and the embedded wiring 23 and the bump
SELl SELn SELl SELn
極 90を介して、上位半導体回路層 21E中の画素ブロック 12a (トランスファゲート群 T G〜TG )と下位半導体回層 22E中の増幅トランジスタ Tr とを電気的に相互接 Via the pole 90, the pixel block 12a (transfer gate group T G to TG) in the upper semiconductor circuit layer 21E and the amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22E are electrically interconnected.
1 n AMP 1 n AMP
続している。  It continues.
[0305] また、下位半導体回路層 22Eの上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電極 90と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21Eの下方の主面 (基板 40の裏面)に 電気的'機械的に接続されているので、両回路層 21Eと 22Eは二段の半導体積層構 造 (三次元構造)を構成する。  [0305] The main surface above the lower semiconductor circuit layer 22E (the surface of the wiring structure 74) is formed on the main surface below the upper semiconductor circuit layer 21E (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. Since the circuit is electrically and mechanically connected, both circuit layers 21E and 22E form a two-stage semiconductor stacked structure (three-dimensional structure).
[0306] したがって、第 13実施形態のセンサ回路 3について説明したのと同じ理由により、 全画素 11aについての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能 であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高 速で移動する被写体を撮像することができる。  Therefore, for the same reason as described for the sensor circuit 3 of the thirteenth embodiment, signal charges for all the pixels 11a can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous shirting), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
[0307] また、画素ブロック 12aの各画素 11aは一つのフォトダイオードと一つのゲート素子( MOSトランジスタ)と一つのリセットトランジスタ(MOSトランジスタ)を含むだけで済む ため、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つないし四つの MOSトランジスタ を含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画素開口率 (例えば、 60%程度 )を実現することができ、し力も画素 1 la自体の大きさを縮小することが可能となる。 [0307] Each pixel 11a of the pixel block 12a includes one photodiode and one gate element ( MOS transistor) and one reset transistor (MOS transistor) only need to be included, so the pixel aperture is higher than that of a conventional CMOS image sensor that includes three or four MOS transistors in addition to a photodiode in one pixel. The rate (for example, about 60%) can be realized, and the force can also reduce the size of the pixel 1 la itself.
[0308] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Eの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォ トダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。  [0308] Furthermore, since a higher pixel aperture ratio than that of a conventional CMOS image sensor can be realized, the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) with respect to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21E. It is possible to increase the ratio of.
[0309] (第 15実施形態)  [0309] (Fifteenth embodiment)
図 22は、本発明の第 15実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 4Aの要部 の回路構成を示す回路図であり、図 24は、同イメージセンサ 4Aの実際構造を示す 要部断面図である。このイメージセンサ 4Aは、上述した第 14実施形態のイメージセ ンサ 4で使用されたセンサ回路(図 21を参照)において、 n個の選択トランジスタ Tr  FIG. 22 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 4A according to the fifteenth embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a cross-sectional view of the main part showing the actual structure of the image sensor 4A. is there. This image sensor 4A includes n selection transistors Tr in the sensor circuit (see FIG. 21) used in the image sensor 4 of the fourteenth embodiment described above.
SE  SE
〜Tr の出力側にそれぞれ記憶用容量素子 C 〜C と出力トランジスタ Tr ~ Tr storage elements C to C and output transistors Tr on the output side of Tr
LI SELn ST1 STn OULI SELn ST1 STn OU
〜Tr ~ Tr
Tl OUTnとが追加接続されたセンサ回路を使用したものであり、上位半導体回路 層 21Eと下位半導体回路層 22E'を積層して二段の三次元積層構造とされている。 このイメージセンサ 4Αは、本発明の第 4の観点によるイメージセンサに対応する。  A sensor circuit to which Tl OUTn is additionally connected is used, and an upper semiconductor circuit layer 21E and a lower semiconductor circuit layer 22E ′ are stacked to form a two-stage three-dimensional stacked structure. This image sensor 4Α corresponds to the image sensor according to the fourth aspect of the present invention.
[0310] イメージセンサ 4Αは、図 24から明らかなように、上位半導体回路層 21Eと下位半 導体回路層 22E'とを、埋込配線 23と微細なバンプ電極 90と、電気的絶縁性の接着 剤 91とを用いて、機械的且つ電気的に接続して構成されている。  [0310] As is apparent from FIG. 24, the image sensor 4A has an upper semiconductor circuit layer 21E and a lower semiconductor circuit layer 22E ', an embedded wiring 23, a fine bump electrode 90, and an electrically insulating adhesive. It is configured to be mechanically and electrically connected using the agent 91.
[0311] 上位半導体回路層 21Eは、上述した第 14実施形態のイメージセンサ 4 (図 23参照 )のそれと同じ構成であるから、第 14実施形態の場合と同じ符号を付してその詳細な 説明は省略する。  [0311] Since the upper semiconductor circuit layer 21E has the same configuration as that of the image sensor 4 (see FIG. 23) of the fourteenth embodiment described above, the same reference numerals as those in the fourteenth embodiment are used for detailed description thereof. Is omitted.
[0312] 下位半導体回路層 22E'は、上述した第 14実施形態のイメージセンサ 4の下位半 導体回路層 22Εとほぼ同じ構成であるが、記憶用容量素子 C 〜C と出カトラン  [0312] The lower semiconductor circuit layer 22E 'has substantially the same configuration as the lower semiconductor circuit layer 22Ε of the image sensor 4 of the fourteenth embodiment described above, but the storage capacitor elements C to C and the output capacitor
ST1 STn  ST1 STn
ジスタ Tr 〜Tr が追加形成されている点が異なっている。すなわち、下位半  The difference is that the transistors Tr to Tr are additionally formed. That is, the lower half
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
導体回路層 22E'には、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と、(k X m)組の選択トラ  The conductor circuit layer 22E ′ includes (k X m) amplification transistors Tr and (k X m) sets of selection transistors.
AMP  AMP
ンジスタ群 Tr 〜Tr に加えて、(k X m)組の記憶用容量素子群 C 〜C と(  In addition to the transistor groups Tr to Tr, (k X m) sets of memory capacitor groups C to C and (
SEL1 SELn ST1 STn k X m)組の出力トランジスタ群 Tr 〜Tr が形成されて!、る。  SEL1 SELn ST1 STn k X m) sets of output transistor groups Tr to Tr are formed!
OUT1 OUTn [0313] 図 24に示すように、下位半導体回路層 22E'では、基板 60の表面領域に、所定パ ターンで素子分離絶縁膜 61が形成されており、それによつて所定数の増幅トランジ スタ Tr 用の素子領域と、所定数の選択トランジスタ Tr 〜Tr 、記憶用容量OUT1 OUTn [0313] As shown in FIG. 24, in the lower semiconductor circuit layer 22E ', an element isolation insulating film 61 is formed in a predetermined pattern on the surface region of the substrate 60, and thereby a predetermined number of amplification transistors Tr are formed. Element region and a predetermined number of selection transistors Tr to Tr, storage capacity
AMP SEL1 SELn 素子 C 〜C 及び出力トランジスタ Tr 〜Tr 用の素子領域が形成されていAMP SEL1 SELn Element areas for elements C to C and output transistors Tr to Tr are formed.
ST1 STn OUT1 OUTn ST1 STn OUT1 OUTn
る。  The
[0314] 増幅トランジスタ Tr の構成は、上述した第 14実施形態のイメージセンサ 4 (図 23  The configuration of the amplification transistor Tr is the same as that of the image sensor 4 of the fourteenth embodiment described above (FIG. 23).
AMP  AMP
参照)の場合と同様であり、ゲート電極 65と、このゲート電極 65を挟んで両側に形成 された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64とを含む MOSトランジスタ力も構成 されている。増幅トランジスタ Tr の電気的接続も、第 14実施形態のイメージセン  The MOS transistor force including the gate electrode 65 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 formed on both sides of the gate electrode 65 is also configured. The electrical connection of the amplifying transistor Tr is the same as that of the image
AMP  AMP
サ 4 (図 21参照)の場合と同様である。  This is the same as the case of service 4 (see Fig. 21).
[0315] n個の選択トランジスタ Tr 〜Tr の各々の構成は、上述した第 14実施形態の [0315] The configuration of each of the n selection transistors Tr to Tr is the same as that of the fourteenth embodiment described above.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
イメージセンサ 4の場合と同様であり、ゲート電極 67と、このゲート電極 67を挟んで両 側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66とを含む MOSトランジス タカも構成されている。そして、その MOSトランジスタに対して、記憶用容量素子 C  As in the case of the image sensor 4, a MOS transistor including a gate electrode 67 and a pair of n + type regions (source and drain regions) 66 formed on both sides of the gate electrode 67 is also configured. Yes. And, for the MOS transistor, the storage capacitive element C
ST  ST
〜C と出力トランジスタ出力トランジスタ Tr 〜Tr と力 図 24に示すような ~ C and output transistor Output transistor Tr ~ Tr and force as shown in Figure 24
1 STn OUT1 OUTn 1 STn OUT1 OUTn
回路構成となるように接続されて 、る。  Connected to form a circuit configuration.
[0316] 例えば、選択トランジスタ Tr について言えば、一方の n+形領域 (ソース'ドレイン [0316] For example, for the select transistor Tr, one n + type region (source and drain)
SEL1  SEL1
領域) 66は、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトプラグ 70及び 69と配 線膜 73を介して、対応する増幅トランジスタ Tr の一方の n+形領域 (ソース'ドレイ  (Region) 66 is one n + type region (source drain) of the corresponding amplifying transistor Tr via the conductive contact plugs 70 and 69 formed in the wiring structure 74 and the wiring film 73.
AMP  AMP
ン領域) 64に電気的に接続されている。ゲート電極 67は、配線構造 74の内部に形 成された配線を介して出力選択線 39に電気的に接続されており、出力選択信号 φ  Is electrically connected to 64). The gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74, and the output selection signal φ
S  S
が印加される。選択トランジスタ Tr の他方の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 6 Is applied. The other n + type region (source / drain region) of select transistor Tr 6
ELI SEL1 ELI SEL1
6は、ゲート電極 67aに関してそれとは反対側に形成された n+形領域 66aと共に、記 憶用容量素子 C として機能する MOSキャパシタを構成している。この n+形領域 6  6 constitutes a MOS capacitor that functions as a storage capacitor C together with an n + -type region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67a. This n + region 6
ST1  ST1
6aは、ゲート電極 67bと、そのゲート電極 67bに関して当該 n+形領域 66aとは反対 側に形成された n+形領域 66aと共に、出力トランジスタ Tr として機能する MOSト  6a is a MOS transistor that functions as an output transistor Tr together with a gate electrode 67b and an n + region 66a formed on the opposite side of the gate electrode 67b from the n + region 66a.
OUT1  OUT1
ランジスタを構成している。ゲート電極 67aは、所定電位 (通常は接地電位)の端子に 接続される。ゲート電極 67bは、図示しない配線を介して出力制御線 39aに電気的 に接続されており、出力制御信号 Φ が印加される。 It constitutes a transistor. The gate electrode 67a is connected to a terminal having a predetermined potential (usually a ground potential). The gate electrode 67b is electrically connected to the output control line 39a via a wiring (not shown). And an output control signal Φ is applied.
OUT1  OUT1
[0317] このように、一つの素子領域内に、選択トランジスタ Tr と記憶用容量素子 C と  [0317] Thus, in one element region, the selection transistor Tr, the storage capacitor element C, and
SEL1 ST1 出力トランジスタ Tr が形成されている。これは、他の選択トランジスタ Tr 〜Tr  SEL1 ST1 Output transistor Tr is formed. This is because the other selection transistors Tr to Tr
OUT1 SEL2 S についても同様である。  The same applies to OUT1 SEL2 S.
ELn  ELn
[0318] 以上述べたように、図 24に示した第 15実施形態に係るイメージセンサ 4は、図 22 に示したセンサ回路を適用したものであって、(k X m)組のフォトダイオード群 PD〜 PDと(k X m)組のトランスファゲート群 TG〜TGと(k X m)組のリセットトランジスタ 群 Tr 〜Tr と、(k X m)個の埋込配線 23を上位半導体回路層 21E中に形成 [0318] As described above, the image sensor 4 according to the fifteenth embodiment shown in FIG. 24 applies the sensor circuit shown in FIG. 22, and includes (k X m) sets of photodiode groups. PD to PD and (k X m) transfer gate groups TG to TG and (k X m) reset transistor groups Tr to Tr and (k X m) embedded wirings 23 are connected to the upper semiconductor circuit layer 21E. Formed in
RST1 RSTn RST1 RSTn
すると共に、(k X m)個の増幅トランジスタ Tr と (k X m)組の選択トランジスタ群 Tr  In addition, (k X m) amplifying transistors Tr and (k X m) selection transistor groups Tr
AMP  AMP
〜Tr と (k X m)組の記憶用容量素子群 C 〜C と (k X m)組の出カトラン ~ Tr and (k X m) set of storage capacitor elements C ~ C and (k X m) set of output capacitors
SEL1 SELn ST1 STn SEL1 SELn ST1 STn
ジスタ群 Tr 〜Tr を下位半導体回層 22E'中に形成し、さらに、埋込配線 23  Distor groups Tr to Tr are formed in the lower semiconductor layer 22E ′, and embedded wiring 23
OUT1 OUTn  OUT1 OUTn
及びバンプ電極 90を介して、上位半導体回路層 21E中のトランスファゲート群 TG 〜TGと、下位半導体回層 22E'中の増幅トランジスタ Tr とを電気的に相互接続 n AMP  And the bump electrode 90, the transfer gate groups TG to TG in the upper semiconductor circuit layer 21E are electrically connected to the amplification transistor Tr in the lower semiconductor circuit layer 22E ′.
している。  is doing.
[0319] また、下位半導体回路層 22E'の上方の主面 (配線構造 74の表面)は、バンプ電 極 90と接着剤 91によって、上位半導体回路層 21Eの下方の主面 (基板 40の裏面) に電気的'機械的に接続されているので、両回路層 21Eと 22E'は二段の半導体積 層構造 (三次元構造)を構成する。  [0319] In addition, the upper main surface of the lower semiconductor circuit layer 22E '(the surface of the wiring structure 74) is formed on the lower main surface of the upper semiconductor circuit layer 21E (the back surface of the substrate 40) by the bump electrode 90 and the adhesive 91. The circuit layers 21E and 22E 'form a two-stage semiconductor multilayer structure (three-dimensional structure).
[0320] したがって、第 13実施形態のセンサ回路 3について説明したのと同じ理由により、 全画素 11aについての信号電荷の実質的同時蓄積 (実質的同時シャツタ化)が可能 であると共に、従来の CMOSイメージセンサにおける画像の歪みを生じることなぐ高 速で移動する被写体を撮像することができる。  [0320] Therefore, for the same reason as that described for the sensor circuit 3 of the thirteenth embodiment, signal charges for all the pixels 11a can be substantially simultaneously accumulated (substantially simultaneous chattering), and a conventional CMOS can be used. An object that moves at high speed without causing image distortion in the image sensor can be captured.
[0321] また、画素ブロック 12aの各画素 11aは一つのフォトダイオードと一つのゲート素子( MOSトランジスタ)と一つのリセットトランジスタ(MOSトランジスタ)を含むだけで済む ため、一つの画素中にフォトダイオードに加えて三つないし四つの MOSトランジスタ を含む従来の CMOSイメージセンサに比べて、高い画素開口率 (例えば、 60%程度 )を実現することができ、し力も画素 1 la自体の大きさを縮小することが可能となる。  [0321] Further, each pixel 11a of the pixel block 12a only needs to include one photodiode, one gate element (MOS transistor), and one reset transistor (MOS transistor). In addition, compared to conventional CMOS image sensors that include three or four MOS transistors, it can achieve a high pixel aperture ratio (for example, about 60%) and reduce the size of the pixel 1 la itself. It becomes possible.
[0322] さらに、従来の CMOSイメージセンサよりも高い画素開口率を実現できることから、 上位半導体回路層 21Eの表面にある撮像領域の総面積に対する受光領域 (各フォ トダイオードの開口部分)の総面積の割合を高くすることが可能となる。 [0322] Furthermore, because it can achieve a higher pixel aperture ratio than conventional CMOS image sensors, It is possible to increase the ratio of the total area of the light receiving region (opening portion of each photodiode) to the total area of the imaging region on the surface of the upper semiconductor circuit layer 21E.
[0323] さらに、出力制御信号 φ 〜φ で出力トランジスタ Tr 〜Tr を制御す [0323] Further, output transistors Tr to Tr are controlled by output control signals φ to φ.
OUTl OUTn OUT1 OUTn ることにより、画素ブロック 12a中のトランスファゲート TG〜TGと選択トランジスタ群 Tr 〜Tr の開閉とはタイミングをずらして列信号線 37に信号を出力することが OUTl OUTn OUT1 OUTn can be used to output signals to the column signal line 37 at different timings from the opening and closing of the transfer gates TG to TG and the selection transistor groups Tr to Tr in the pixel block 12a.
SEL1 SELn SEL1 SELn
できるため、第 14実施形態のイメージセンサ 4よりも高速の撮像が可能であるという効 果もある。  Therefore, there is also an effect that imaging can be performed at a higher speed than the image sensor 4 of the fourteenth embodiment.
[0324] (第 16実施形態) [0324] (Sixteenth embodiment)
上述した第 5〜第 12実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2〜2Gと第 14 及び第 15実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 4及び 4Aは、 Vヽずれも上位 及び下位の二つの半導体回路層を積層してなる二層構造であるが、本発明のィメー ジセンサは二層構造に限定されるものではない。三層あるいは四層以上の半導体回 路層を積層して構成することも可能である。その一例として、上位、中位及び下位の 三層の半導体回路層から構成された例について以下に説明する。  The addressing-type image sensors 2 to 2G according to the fifth to twelfth embodiments described above and the addressing-type image sensors 4 and 4A according to the fourteenth and fifteenth embodiments include two semiconductors whose V-deviation is higher and lower. Although it has a two-layer structure in which circuit layers are laminated, the image sensor of the present invention is not limited to a two-layer structure. It is also possible to stack three or four or more semiconductor circuit layers. As an example, an example composed of upper, middle and lower three semiconductor circuit layers will be described below.
[0325] 図 28は、本発明の第 16実施形態に係るアドレス指定型イメージセンサ 2Hの要部 の回路構成を示す回路図であり、図 29は、同イメージセンサ 2Hの実際構造を示す 要部断面図である。このイメージセンサ 2Hは、上述した第 3実施形態のセンサ回路 1 B (図 4を参照)を使用したものであり、そのセンサ回路 1Bを使用した第 5実施形態の 二段の三次元積層構造のイメージセンサ 2 (図 6及び図 8を参照)とほぼ同一の構成 であるが、上位半導体回路層 21Fと中位半導体回路層 22Faと下位半導体回路層 2 2Fbを積層して三段の三次元積層構造とされて 、る点で異なる。このイメージセンサ 2Hは、本発明の第 2の観点によるイメージセンサに対応する。  FIG. 28 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the main part of the addressing type image sensor 2H according to the sixteenth embodiment of the present invention. FIG. 29 shows the main part of the actual structure of the image sensor 2H. It is sectional drawing. This image sensor 2H uses the sensor circuit 1B (see FIG. 4) of the third embodiment described above, and has the two-stage three-dimensional laminated structure of the fifth embodiment using the sensor circuit 1B. It has almost the same configuration as image sensor 2 (see Fig. 6 and Fig. 8), but the upper semiconductor circuit layer 21F, the middle semiconductor circuit layer 22Fa, and the lower semiconductor circuit layer 22 2Fb are stacked to form a three-dimensional three-dimensional stack. The structure is different in that it is different. This image sensor 2H corresponds to the image sensor according to the second aspect of the present invention.
[0326] 上位半導体回路層 21Fの構成は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2の上 位半導体回路層 21 (図 8参照)のそれと同一である。  The configuration of the upper semiconductor circuit layer 21F is the same as that of the upper semiconductor circuit layer 21 (see FIG. 8) of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above.
[0327] イメージセンサ 2では下位半導体回路層 22に形成されて 、た (k X m)組のリセットト ランジスタ Tr 〜Tr と(kX m)個の増幅トランジスタ T は、中位半導体回路  [0327] In image sensor 2, (k X m) sets of reset transistors Tr to Tr and (kX m) amplification transistors T formed in lower semiconductor circuit layer 22 are intermediate semiconductor circuits.
RST1 RSTn AMP 層 22Faに形成されている。上位半導体回路層 21F中の各画素ブロック 12と、中位 半導体回路層 22Fa中の対応するリセットトランジスタ Tr 〜Tr 及び増幅トラン  RST1 RSTn AMP layer is formed on 22Fa. Each pixel block 12 in the upper semiconductor circuit layer 21F and the corresponding reset transistor Tr to Tr and amplification transistor in the middle semiconductor circuit layer 22Fa
RST1 RSTn ジスタ T とは、上位半導体回路層 21F中に形成された対応する埋込配線 23を介RST1 RSTn The register T is connected to the corresponding embedded wiring 23 formed in the upper semiconductor circuit layer 21F.
AMP AMP
して電気的に相互接続されて 、る。  And are electrically interconnected.
[0328] イメージセンサ 2では下位半導体回路層 22中に形成されて 、た (kX m)組の選択 トランジスタ Tr 〜Tr は、下位半導体回路層 22Fb中に形成されている。中位 [0328] In the image sensor 2, the (kXm) sets of selection transistors Tr to Tr are formed in the lower semiconductor circuit layer 22 and are formed in the lower semiconductor circuit layer 22Fb. Middle
SEL1 SELn  SEL1 SELn
半導体回路層 22Fa中の各増幅トランジスタ T と、下位半導体回路層 22Fb中の  Each amplification transistor T in the semiconductor circuit layer 22Fa and the lower semiconductor circuit layer 22Fb
AMP  AMP
対応する選択トランジスタ Tr 〜Tr とは、中位半導体回路層 22Fa中に形成さ  The corresponding selection transistors Tr to Tr are formed in the middle semiconductor circuit layer 22Fa.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
れた対応する埋込配線 23 'を介して電気的に相互接続されて!ヽる。  Are electrically interconnected via corresponding embedded wiring 23 '.
[0329] 次に、図 29を参照しながら、イメージセンサ 2Hの実際構造について説明する。 Next, the actual structure of the image sensor 2H will be described with reference to FIG.
[0330] 上位半導体回路層 21Fの構成は、上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2の上 位半導体回路層 21 (図 8参照)のそれと同一であるから、対応する要素に同じ符号を 付してその説明は省略する。 [0330] The configuration of the upper semiconductor circuit layer 21F is the same as that of the upper semiconductor circuit layer 21 (see FIG. 8) of the image sensor 2 of the fifth embodiment described above. The description thereof is omitted.
[0331] 中位半導体回路層 22Faは、イメージセンサ 2の下位半導体回路層 22の構造(図 8 を参照)と似ており、 p型の単結晶 Si基板 60の表面領域に、所定パターンで素子分 離絶縁膜 61が形成されており、それによつて所定数のリセットトランジスタ Tr 用の [0331] The middle semiconductor circuit layer 22Fa is similar to the structure of the lower semiconductor circuit layer 22 of the image sensor 2 (see Fig. 8), and is arranged in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60. A separation insulating film 61 is formed, so that a predetermined number of reset transistors Tr are provided.
RST  RST
素子領域と、所定数の増幅トランジスタ Tr 用の素子領域が形成されている。  An element region and an element region for a predetermined number of amplification transistors Tr are formed.
AMP  AMP
[0332] リセットトランジスタ Tr は、図 29に示すように、ゲート電極 63と、このゲート電極 6  [0332] The reset transistor Tr includes a gate electrode 63 and a gate electrode 6 as shown in FIG.
RST  RST
3を挟んで両側に形成された一対の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 62とを含む M OSトランジスタカゝら構成されている。ゲート電極 63は、基板 60の表面に形成された 配線構造 74中の配線を介して、対応するリセット線 31に電気的に接続されて!、る。 一方の n+形領域 62 (ソース'ドレイン領域)は、配線構造 74の内部に形成された導 電性コンタクトプラグ 68と配線膜 72と導電性コンタクトプラグ 74aと配線膜 75を介して 、対応するバンプ電極 90に電気的に接続されている。その結果、リセットトランジスタ Tr の一方のソース ·ドレイン領域は、対応する埋込配線 23を介して、上位半導体 The MOS transistor cover includes a pair of n + -type regions (source and drain regions) 62 formed on both sides of 3. The gate electrode 63 is electrically connected to the corresponding reset line 31 via the wiring in the wiring structure 74 formed on the surface of the substrate 60. One n + type region 62 (source / drain region) has a corresponding bump through the conductive contact plug 68, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed in the wiring structure 74. It is electrically connected to the electrode 90. As a result, one source / drain region of the reset transistor Tr is connected to the upper semiconductor via the corresponding buried wiring 23.
RST RST
回路層 21Fの対応する共通ノード 13 (画素ブロック 12 (i, j) )に電気的に接続されて いることになる(図 6参照)。他方の n+形領域 62 (ソース'ドレイン領域)には、図示し ない配線を介してリセット電圧 V が印加される。  It is electrically connected to the corresponding common node 13 (pixel block 12 (i, j)) of the circuit layer 21F (see FIG. 6). The reset voltage V is applied to the other n + type region 62 (source / drain region) via a wiring not shown.
RST  RST
[0333] 増幅トランジスタ Tr は、ゲート電極 65と、このゲート電極 65を挟んで両側に形成  [0333] The amplification transistor Tr is formed on both sides of the gate electrode 65 and the gate electrode 65.
AMP  AMP
された一対の n+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64とを含む MOSトランジスタ力も構成 されている。ゲート電極 65は、配線構造 74の内部に形成された導電性コンタクトブラ グ 71と配線膜 72と導電性コンタクトプラグ 74aと配線膜 75を介して、対応するバンプ 電極 90に電気的に接続されている。その結果、増幅トランジスタ Tr のゲート電極 MOS transistor power including a pair of n + type regions (source / drain regions) 64 formed Has been. The gate electrode 65 is electrically connected to the corresponding bump electrode 90 through the conductive contact plug 71, the wiring film 72, the conductive contact plug 74a, and the wiring film 75 formed in the wiring structure 74. Yes. As a result, the gate electrode of the amplification transistor Tr
AMP  AMP
は、対応する埋込配線 23を介して、上位半導体回路層 21の対応する共通ノード 13 (画素ブロック 12 (i, j) )に電気的に接続されていることになる(図 6参照)。また、一方 の n+形領域 64 (ソース'ドレイン領域)は、配線構造 74の内部に形成された導電性コ ンタクトプラグ 69と配線膜 73と導電性コンタクトプラグ 23a'を介して、下位半導体回 路層 22Fb中に形成された導電性プラグ 23'に電気的に接続されている。他方の n+ 形領域 64 (ソース'ドレイン領域)には、図示しない配線を介して電源電圧 V が印加  Is electrically connected to the corresponding common node 13 (pixel block 12 (i, j)) of the upper semiconductor circuit layer 21 through the corresponding embedded wiring 23 (see FIG. 6). One n + type region 64 (source / drain region) is connected to the lower semiconductor circuit via the conductive contact plug 69, the wiring film 73, and the conductive contact plug 23a ′ formed in the wiring structure 74. The conductive plug 23 'formed in the layer 22Fb is electrically connected. The power supply voltage V is applied to the other n + type region 64 (source and drain regions) via wiring not shown.
CC  CC
される。  Is done.
[0334] 下位半導体回路層 22Fbは、 p型の単結晶 Si基板 60'の表面領域に、所定パター ンで素子分離絶縁膜 61 'が形成されており、それによつて所定数の選択トランジスタ Tr 〜Tr の用の素子領域が形成されている。選択トランジスタ Tr 〜Tr In the lower semiconductor circuit layer 22Fb, an element isolation insulating film 61 ′ is formed in a predetermined pattern on the surface region of the p-type single crystal Si substrate 60 ′, and thereby a predetermined number of select transistors Tr˜ An element region for Tr is formed. Select transistor Tr to Tr
SEL1 SELn SEL1 SELn の各々は、ゲート電極 67と、このゲート電極 67を挟んで両側に形成された一対の n+ 形領域 (ソース ·ドレイン領域) 66とを含んで構成される MOSトランジスタカゝら構成さ れている。一方の n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66は、配線構造 74'の内部に形 成された導電性コンタクトプラグ 70、配線膜 72a、導電性コンタクトプラグ 74a'及び 配線膜 75 'を介して、対応するバンプ電極 90'に電気的に接続されている。したがつ て、当該 n+形領域 (ソース'ドレイン領域) 66は、バンプ電極 90'と中位半導体回路 層 22Fa内の導電性プラグ 23'を介して、対応する増幅トランジスタ Tr の一方の n Each of SEL1 SELn SEL1 SELn is composed of a MOS transistor including a gate electrode 67 and a pair of n + type regions (source / drain regions) 66 formed on both sides of the gate electrode 67. It has been. One n + type region (source and drain region) 66 is connected to the wiring structure 74 ′ through the conductive contact plug 70, the wiring film 72a, the conductive contact plug 74a ′, and the wiring film 75 ′. It is electrically connected to the corresponding bump electrode 90 '. Therefore, the n + type region (source 'drain region) 66 is connected to one n of the corresponding amplifying transistor Tr via the bump electrode 90' and the conductive plug 23 'in the middle semiconductor circuit layer 22Fa.
AMP  AMP
+形領域 (ソース ·ドレイン領域) 64に電気的に接続されて!、る。他方の n+形領域 (ソ ース'ドレイン領域) 66は、当該イメージセンサ 2の対応する出力端子に接続されてい る。ゲート電極 67は、配線構造 74'の内部に形成された配線を介して、出力選択線 3 9に電気的に接続されている。選択トランジスタ Tr 〜Tr のゲート電極 67には  + Shape region (source / drain region) 64 electrically connected! The other n + type region (source / drain region) 66 is connected to the corresponding output terminal of the image sensor 2. The gate electrode 67 is electrically connected to the output selection line 39 via a wiring formed inside the wiring structure 74 ′. The gate electrode 67 of the selection transistors Tr to Tr
SEL1 SELn  SEL1 SELn
、対応する出力選択線 39を介して所定の出力選択信号 φ 〜 φ がそれぞれ  The predetermined output selection signals φ to φ are respectively transmitted via the corresponding output selection lines 39.
SEL1 SELn  SEL1 SELn
印加される。  Applied.
[0335] 第 16実施形態のイメージセンサ 2Hは、以上のような実際構造を有しているが、そ の動作及び効果は上述した第 5実施形態のイメージセンサ 2 (図 6及び図 8を参照)の 場合と同一である。したがって、それらに関する説明は省略する。 [0335] The image sensor 2H of the sixteenth embodiment has the actual structure as described above, but the operation and effect thereof are the image sensor 2 of the fifth embodiment described above (see FIGS. 6 and 8). )of It is the same as the case. Therefore, the description regarding them is omitted.
[0336] (記憶用容量素子の構成例)  [0336] (Configuration example of storage capacitor)
図 25〜図 27は、上述した実施形態に使用された記憶用容量素子の構成例を示す 。これらの図では、選択トランジスタ Tr と出力トランジスタ Tr の間に設けられる  FIG. 25 to FIG. 27 show a configuration example of the storage capacitor element used in the above-described embodiment. In these figures, they are provided between the select transistor Tr and the output transistor Tr.
SEL1 OUT1  SEL1 OUT1
記憶用容量素子 c について示している。  The storage capacitor element c is shown.
ST1  ST1
[0337] 図 25 (a)の記憶用容量素子 C は、 p型 Si基板 60の内部において、選択トランジ  [0337] The storage capacitor C in FIG. 25 (a) is a selective transistor within the p-type Si substrate 60.
ST1  ST1
スタ Tr を形成する容量素子 C 側の n+領域 66と、出力トランジスタ Tr を形 The n + region 66 on the capacitive element C side that forms the star transistor and the output transistor Tr
SEL1 ST1 OUT1 成する容量素子 C 側の n+領域 66aとを連結するように形成された n+領域 66bを備 SEL1 ST1 OUT1 The n + region 66b is formed to connect the n + region 66a on the capacitive element C side.
ST1  ST1
えている。基板 60と n+領域 66bの間に逆バイアスを印加することにより、 p— n接合容 量が生成されるので、それを記憶用容量素子 C として使用する。  It is. By applying a reverse bias between the substrate 60 and the n + region 66b, a pn junction capacitance is generated, which is used as the storage capacitor element C.
ST1  ST1
[0338] 図 25 (b)の記憶用容量素子 C は、選択トランジスタ Tr を形成する n+領域 66  [0338] The storage capacitor C in FIG. 25 (b) has an n + region 66 forming the selection transistor Tr.
ST1 SEL1  ST1 SEL1
と出力トランジスタ Tr を形成する n+領域 66aの間において、ゲート絶縁膜 (図示  And the n + region 66a that forms the output transistor Tr
OUT1  OUT1
せず)を介して p型 Si基板 60の上方に形成されたゲート電極 67aを備えている。ゲー ト電極 67aに電源電圧 V を印加することにより、基板 60の表面領域に n型あるいは  A gate electrode 67a formed above the p-type Si substrate 60. By applying the power supply voltage V to the gate electrode 67a, the n-type or
CC  CC
n+型の反転層 Lが生成されるので、それを記憶用容量素子 C として使用する。こ  Since the n + type inversion layer L is generated, it is used as the storage capacitor element C. This
ST1  ST1
れは典型的な MOSキャパシタであり、上述した各実施形態で使用されて!、るもので ある。  This is a typical MOS capacitor and is used in each of the embodiments described above.
[0339] 図 26 (a)の記憶用容量素子 C は、選択トランジスタ Tr を形成する n+領域 66  [0339] The storage capacitor C in FIG. 26 (a) has an n + region 66 that forms the selection transistor Tr.
ST1 SEL1  ST1 SEL1
と出力トランジスタ Tr を形成する n+領域 66aの間において、ゲート絶縁膜 (図示  And the n + region 66a that forms the output transistor Tr
OUT1  OUT1
せず)を介して p型 Si基板 60の上方に形成されたゲート電極 67aを備えている。基板 60の内部では、選択トランジスタ Tr を形成する容量素子 C 側の n+領域 66と、  A gate electrode 67a formed above the p-type Si substrate 60. Inside the substrate 60, an n + region 66 on the capacitive element C side that forms the selection transistor Tr, and
SEL1 ST1  SEL1 ST1
出力トランジスタ Tr を形成する容量素子 C 側の n+領域 66aが除去されている  The n + region 66a on the capacitive element C side that forms the output transistor Tr is removed.
OUT1 ST1  OUT1 ST1
。選択トランジスタ Tr を形成するゲート電極 67の容量素子 C 側の端部は、絶  . The end on the capacitive element C side of the gate electrode 67 that forms the selection transistor Tr
SEL1 ST1  SEL1 ST1
縁膜(図示せず)を介してゲート電極 67aの上に載せられている。同様に、出カトラン ジスタ Tr を形成するゲート電極 67bの容量素子 C 側の端部は、ゲート電極 67  It is placed on the gate electrode 67a through an edge film (not shown). Similarly, the end on the capacitive element C side of the gate electrode 67b that forms the output transistor Tr is the gate electrode 67b.
OUT1 ST1  OUT1 ST1
の反対側カゝら絶縁膜(図示せず)を介してゲート電極 67aの上に載せられている。  Is placed on the gate electrode 67a via an insulating film (not shown).
[0340] ゲート電極 67aに電源電圧 V を印加することにより、図 25 (b)の場合と同様に、基 [0340] By applying the power supply voltage V to the gate electrode 67a, as in the case of FIG.
CC  CC
板 60の表面領域に n型あるいは n+型の反転層が生成されるので、それを記憶用容 ί素子 C として使用する。この時、当該反転層のゲート電極 67側の端部が、選択An n-type or n + -type inversion layer is generated in the surface area of the plate 60, which is stored in the storage space. Used as ί element C. At this time, the end of the inversion layer on the gate electrode 67 side is selected.
ST1 ST1
トランジスタ Tr 用の n型領域あるいは n+型領域として機能する。また、当該反転  Functions as an n-type region or n + -type region for transistor Tr. Also, the inversion
SEL1  SEL1
層のゲート電極 67b側の端部力 出力トランジスタ Tr 用の n型領域あるいは n+型  End force on the gate electrode 67b side of layer n-type region or n + type for output transistor Tr
OUT1  OUT1
領域として機能する。これは MOSキャパシタの変形例である。  Act as a region. This is a modification of the MOS capacitor.
[0341] 図 26 (b)の記憶用容量素子 C は、選択トランジスタ Tr のゲート電極 67と出力 [0341] The memory capacitor C in FIG. 26 (b) is connected to the gate electrode 67 of the selection transistor Tr and the output.
ST1 SEL1  ST1 SEL1
トランジスタ Tr のゲート電極 67bの間において、ゲート絶縁膜(図示せず)を介し  A gate insulating film (not shown) is interposed between the gate electrodes 67b of the transistor Tr.
OUT1  OUT1
て p型 Si基板 60の上方に形成されたゲート電極 67aを備えている。基板 60の内部で は、選択トランジスタ Tr を形成する容量素子 C 側の n+領域 66と、出カトランジ  And a gate electrode 67a formed above the p-type Si substrate 60. Inside the substrate 60, the n + region 66 on the capacitive element C side forming the selection transistor Tr and the output transistor
SEL1 ST1  SEL1 ST1
スタ Tr を形成する容量素子 C 側の n+領域 66aが除去されている。ゲート電極 The n + region 66a on the capacitive element C side forming the star transistor Tr is removed. Gate electrode
OUT1 ST1 OUT1 ST1
67aの一方の端部は、選択トランジスタ Tr を形成するゲート電極 67の上に絶縁  One end of 67a is insulated on the gate electrode 67 forming the select transistor Tr
SEL1  SEL1
膜 (図示せず)を介して載せられており、他方の端部は、出力トランジスタ Tr を形  The other end forms an output transistor Tr.
OUT1 成するゲート電極 67bの上に絶縁膜(図示せず)を介して載せられている。  OUT1 is placed on the formed gate electrode 67b through an insulating film (not shown).
[0342] ゲート電極 67aに電源電圧 V を印加することにより、図 25 (b)の場合と同様に、基 [0342] By applying the power supply voltage V to the gate electrode 67a, as in the case of FIG.
CC  CC
板 60の表面領域に n型あるいは n+型の反転層が生成されるので、それを記憶用容 量素子 C として使用する。この時、当該反転層のゲート電極 67側の端部が、選択  Since an n-type or n + -type inversion layer is generated in the surface region of the plate 60, it is used as the storage capacitor element C. At this time, the end of the inversion layer on the gate electrode 67 side is selected.
ST1  ST1
トランジスタ Tr 用の n型領域あるいは n+型領域として機能する。また、当該反転  Functions as an n-type region or n + -type region for transistor Tr. Also, the inversion
SEL1  SEL1
層のゲート電極 67b側の端部力 出力トランジスタ Tr 用の n型領域あるいは n+型  End force on the gate electrode 67b side of layer n-type region or n + type for output transistor Tr
OUT1  OUT1
領域として機能する。これも MOSキャパシタの変形例である。  Act as a region. This is also a modification of the MOS capacitor.
[0343] 図 27の記憶用容量素子 C は、基板 60の内部では、選択トランジスタ Tr を形 [0343] The memory capacitor C in FIG. 27 forms the selection transistor Tr inside the substrate 60.
ST1 SEL1 成する容量素子 C 側の n+領域 66と、出力トランジスタ Tr を形成する容量素子  ST1 SEL1 Capacitor that forms the n + region 66 on the C side and the capacitor that forms the output transistor Tr
ST1 OUT1  ST1 OUT1
C 側の n+領域 66aが除去されている。それらに代えて、選択トランジスタ Tr の C side n + region 66a has been removed. Instead, select transistor Tr
ST1 SEL1 ゲート電極 67と出力トランジスタ Tr のゲート電極 67bの間において、 n+型領域 6 ST1 SEL1 n + type region 6 between the gate electrode 67 and the gate electrode 67b of the output transistor Tr
OUT1  OUT1
6bが形成されて!、る。選択トランジスタ Tr のゲート電極 67は、 n+型領域 66と n+  6b is formed! The gate electrode 67 of the selection transistor Tr is composed of an n + type region 66 and an n +
SEL1  SEL1
型領域 66bの間に配置され、出力トランジスタ Tr のゲート電極 67bは、 n+型領域  The gate electrode 67b of the output transistor Tr is disposed between the n type regions 66b
OUT1  OUT1
66aと n+型領域 66bの間に配置されている。  It is arranged between 66a and n + type region 66b.
[0344] ゲート電極 67と 67bの上には、ゲート絶縁膜(図示せず)を介して、断面 T型構造を 持つ容量素子 67aaが形成されている。この容量素子 67aaは、容量素子 C として A capacitive element 67aa having a T-shaped cross section is formed on gate electrodes 67 and 67b via a gate insulating film (not shown). This capacitive element 67aa is used as capacitive element C.
ST1 機能するものであり、断面略 T型の断面形状を持つ下位電極 67aalと、下位電極 67 aalの上に形成された絶縁膜 67aa2と、絶縁膜 67aa2の上に形成された上位電極 6 7aa3と力 構成されている。下位電極 67aalの下端は、ゲート電極 67と 67bの間を 通って下方に延びて n+型領域 66bの表面に接触している。上位電極 67aa3に、適 当なゲート電圧 V (0〜V )を印加される。 ST1 Functional, lower electrode 67aal with a substantially T-shaped cross section and lower electrode 67 The insulating film 67aa2 formed on the aal and the upper electrode 67aa3 formed on the insulating film 67aa2 are in force. The lower end of the lower electrode 67aal extends downward between the gate electrodes 67 and 67b and is in contact with the surface of the n + type region 66b. An appropriate gate voltage V (0 to V) is applied to the upper electrode 67aa3.
G CC  G CC
[0345] 記憶用容量素子 C は、このように種々の構成とすることが可能である。  [0345] The storage capacitor element C can have various configurations as described above.
ST1  ST1
[0346] (変形例)  [0346] (Modification)
上述した第 1〜第 16の実施形態は本発明を具体ィ匕した例を示すものであり、した 力 Sつて本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなぐ本発明の趣旨を外れ ることなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施形態 のほとんどでは、上位半導体回路層と下位半導体回路層、あるいは上位半導体回路 層と中位半導体回路層、中位半導体回路層と下位半導体回路層をそれぞれバンプ 電極と埋込配線を用いて相互に電気的に接続している力 本発明はこれに限定され ない。上述した第 12実施形態のように、上位半導体回路層と下位半導体回路層をバ ンプ電極と配線膜を用いて相互に電気的に接続してもよい。要は、上位半導体回路 層と下位半導体回路層とを相互に電気的に接続する構造であれば、任意のものを使 用できる。  The first to sixteenth embodiments described above show specific examples of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to these embodiments and departs from the spirit of the present invention. It goes without saying that various modifications can be made without any problem. For example, in most of the above-described embodiments, the upper semiconductor circuit layer and the lower semiconductor circuit layer, or the upper semiconductor circuit layer and the intermediate semiconductor circuit layer, and the intermediate semiconductor circuit layer and the lower semiconductor circuit layer are respectively connected to the bump electrode and the embedded wiring. The force electrically connected to each other using the present invention is not limited to this. As in the twelfth embodiment described above, the upper semiconductor circuit layer and the lower semiconductor circuit layer may be electrically connected to each other using a bump electrode and a wiring film. In short, any structure can be used as long as the upper semiconductor circuit layer and the lower semiconductor circuit layer are electrically connected to each other.
[0347] さらに、上述した実施形態のほとんどでは、上位半導体回路層と下位半導体回路 層からなる二層の積層構造としており、画素マトリックスの周辺回路 (垂直走査回路 3 4、水平走査回路 35等)を上位半導体回路層または下位半導体回路層に形成する ようにしている力 本発明はこれに限定されない。画素マトリックスの周辺回路を他の 半導体回路層の内部に形成し、その半導体回路層を下位半導体回路層の裏面に 接続してもよい。これは、上位半導体回路層と中位半導体回路層と下位半導体回路 層からなる三層の積層構造、あるいは四層以上の積層構造の場合でも、同様である  [0347] Further, in most of the above-described embodiments, a two-layer stacked structure including an upper semiconductor circuit layer and a lower semiconductor circuit layer is used, and peripheral circuits of the pixel matrix (vertical scanning circuit 34, horizontal scanning circuit 35, etc.) Is formed in the upper semiconductor circuit layer or the lower semiconductor circuit layer. The present invention is not limited to this. A peripheral circuit of the pixel matrix may be formed inside another semiconductor circuit layer, and the semiconductor circuit layer may be connected to the back surface of the lower semiconductor circuit layer. This is the same even in the case of a three-layer stacked structure consisting of an upper semiconductor circuit layer, a middle semiconductor circuit layer and a lower semiconductor circuit layer, or a stacked structure of four or more layers
[0348] 上述した実施形態では、複数個の画素を含む画素ブロックの各々に対して 1個の 埋込配線を設けている力 本発明はこれに限定されるわけではない。 1個の画素に 対して 1個の埋込配線を設けてもよいことは言うまでもない。これは、例えば各埋込配 線の直径 (あるいは一辺)を 1〜0. 5 m程度にすることにより、実現可能である。 [0349] 上位半導体回路層と下位半導体回路層の各々は、単一の半導体ウェハーにより形 成してもよいし、複数の半導体チップにより形成してもよい。換言すれば、当該半導 体回路層中に形成されるべき回路素子を、単一の半導体ウェハーの内部に一括して 形成してもよ ヽし、複数の半導体チップの内部に分割して形成してもよ ヽ。 In the above-described embodiment, the power of providing one embedded wiring for each pixel block including a plurality of pixels. The present invention is not limited to this. Needless to say, one embedded wiring may be provided for one pixel. This can be realized, for example, by setting the diameter (or one side) of each embedded wiring to about 1 to 0.5 m. Each of the upper semiconductor circuit layer and the lower semiconductor circuit layer may be formed of a single semiconductor wafer or a plurality of semiconductor chips. In other words, the circuit elements to be formed in the semiconductor circuit layer may be collectively formed inside a single semiconductor wafer, or divided into a plurality of semiconductor chips. You can do it.
産業上の利用分野  Industrial application fields
[0350] 本発明は、アドレス指定型の任意のイメージセンサと、当該イメージセンサに使用さ れる任意のセンサ回路に適用可能である。  The present invention is applicable to any addressing type image sensor and any sensor circuit used in the image sensor.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択するアドレス指定型イメージセンサに使用されるセンサ回路であつ て、  [1] A sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、 前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック内の複 数の前記画素をリセットするためのリセットトランジスタと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in parallel to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the pixel blocks. A reset transistor for resetting;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素の各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて 信号電荷を生成する光電変力 送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え 前記画素ブロック換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共通ノー ドとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とを含んでいることを特徴とするセンサ回 路。  In each of the plurality of pixels in the pixel block connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks, each of the pixels generates a photoelectric charge that generates a signal charge according to the irradiated light. An amplifying transistor that amplifies a signal to be sent out, and includes the pixel block replacement element and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. A sensor circuit characterized by this.
[2] 前記増幅トランジスタが、単一の出力端を有している請求項 1に記載のセンサ回路  2. The sensor circuit according to claim 1, wherein the amplification transistor has a single output terminal.
[3] 前記増幅トランジスタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に 記憶された信号の出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えている請求項 1に 記載のセンサ回路。 [3] The sensor circuit according to [1], further comprising: a storage capacitive element connected to an output terminal of the amplification transistor; and an output transistor that controls output of a signal stored in the capacitive element.
[4] 前記増幅トランジスタが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前 記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2 ゲート素子が接続されて 、る請求項 1に記載のセンサ回路。  [4] The amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor, and a second gate element is connected to each of the output terminals. The sensor circuit according to claim 1.
[5] 前記増幅トランジスタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容 量素子と、これら容量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の出カトランジス タとを、さらに備えている請求項 4に記載のセンサ回路。 [5] The apparatus further comprises a plurality of storage capacitors connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in the capacitors. The sensor circuit according to claim 4.
[6] 前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成 '蓄積させる前に、前記リセットトラン ジスタのすべてを用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記 画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、 対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅ト ランジスタに送られる請求項 1〜5のいずれか 1項に記載のセンサ回路。 [6] Before all signal charges are generated and accumulated in all of the pixels, all of the pixels are reset in a batch using all of the reset transistors. The signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel in each pixel block is read out in time series through the corresponding common node and sent to the amplification transistor corresponding to the force. 6. The sensor circuit according to any one of 5 above.
[7] マトリックス状に配置された複数の画素を有していると共に、アドレス指定によって 前記画素の各々を選択するアドレス指定型イメージセンサに使用されるセンサ回路 であって、 [7] A sensor circuit having a plurality of pixels arranged in a matrix and used for an addressing type image sensor that selects each of the pixels by addressing,
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、 複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子と、当該光電変換素子と前記第 1 ゲート素子との接続点に接続された、当該画素をリセットするためのリセットトランジス タとを含んで 、ることを特徴とするセンサ回路。  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks In each of the pixel blocks, each of the pixels includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to irradiated light, and the photoelectric conversion element. A reset for resetting the pixel connected to a connection point between the photoelectric conversion element and the first gate element, and a first gate element provided in a path between the pixel block and the common node. A sensor circuit including a transistor.
[8] 前記増幅トランジスタが、単一の出力端を有している請求項 7に記載のセンサ回路 8. The sensor circuit according to claim 7, wherein the amplification transistor has a single output terminal.
[9] 前記増幅トランジスタの出力端に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に 記憶された信号の出力を制御する出力トランジスタとを、さらに備えている請求項 7に 記載のセンサ回路。 [9] The sensor circuit according to [7], further comprising: a storage capacitive element connected to an output terminal of the amplification transistor; and an output transistor that controls output of a signal stored in the capacitive element.
[10] 前記増幅トランジスタが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前 記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2 ゲート素子が接続されている請求項 7に記載のセンサ回路。  [10] The amplification transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor, and a second gate element is connected to each of the output terminals. The sensor circuit according to claim 7.
[11] 前記増幅トランジスタの複数の前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容 量素子と、これら容量素子に記憶された信号の出力を制御する複数の出カトランジス タとを、さらに備えている請求項 10に記載のセンサ回路。 [11] A plurality of storage capacitor elements respectively connected to the plurality of output terminals of the amplification transistor, and a plurality of output transistors for controlling the output of signals stored in these capacitor elements are further provided. The sensor circuit according to claim 10.
[12] 前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成 *蓄積させる前に、前記リセットトラン ジスタのすべてを用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記 画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、 対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅ト ランジスタに送られる請求項 7〜: L 1のいずれか 1項に記載のセンサ回路。 [12] Signal charges are generated collectively for all of the pixels. * Before accumulation, all of the pixels are reset collectively using all of the reset transistors, The signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel in each pixel block is read out in time series via the corresponding common node and sent to the amplification transistor corresponding to the force. : The sensor circuit according to any one of L 1.
[13] マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択する、三次元積層構造を持つアドレス指定型イメージセンサであ つて、 [13] An addressing-type image sensor having a three-dimensional stacked structure that has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、 前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック内の複 数の前記画素をリセットするためのリセットトランジスタと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in parallel to a common node every predetermined number, and a plurality of the pixels in the pixel block connected to the common node of each of the pixel blocks. A reset transistor for resetting;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子とを含んでおり、  An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, and a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block. And
少なくとも前記光電変換素子は、前記三次元積層構造を構成する第 1半導体回路 層の中に形成され、前記第 1ゲート素子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジ スタは、前記三次元積層構造を構成する第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中 に形成されていることを特徴とするアドレス指定型イメージセンサ。  At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. An addressing type image sensor characterized in that it is formed in a second, third or later semiconductor circuit layer.
[14] 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子が前記第 1半導体 回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジスタと複数の前記リセットトランジス タが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されている請求項 13に 記載のアドレス指定型イメージセンサ。 [14] In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of the first gate elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of amplification transistors and the plurality of reset transistors are the second or The addressing type image sensor according to claim 13, wherein the addressing type image sensor is formed in a third or later semiconductor circuit layer.
[15] 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子及び複数の前記リ セットトランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジ スタが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されて!、る請求項 13に 記載のアドレス指定型イメージセンサ。 [15] In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of first gate elements and a plurality of reset transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of amplification transistors are provided in the second semiconductor circuit layer. The addressable image sensor according to claim 13, wherein the addressable image sensor is formed in a third or subsequent semiconductor circuit layer!
[16] 前記増幅トランジスタが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前 記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2 ゲート素子が接続されており、 [16] The amplification transistor is arranged in front of the pixel block corresponding to the amplification transistor. A number of output terminals equal to the total number of pixels, and a second gate element is connected to each of the output terminals,
複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子、複数の前記リセ ットトランジスタ及び複数の前記増幅トランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形 成され、複数の前記第 2ゲート素子が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の 中に形成されて 、る請求項 13に記載のアドレス指定型イメージセンサ。  In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the second photoelectric conversion elements are formed. 14. The addressable image sensor according to claim 13, wherein a gate element is formed in the second or third semiconductor circuit layer.
[17] 複数の前記光電変換素子のみが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の 前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジスタが 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されている請求項 13に記載 のアドレス指定型イメージセンサ。  [17] Only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, a plurality of the first gate elements, a plurality of the reset transistors, and a plurality of the amplification transistors are the second or the third or later. 14. The addressing type image sensor according to claim 13, wherein the addressing type image sensor is formed in a semiconductor circuit layer.
[18] 前記増幅トランジスタの各々が、単一の出力端を有している請求項 13に記載のアド レス指定型イメージセンサ。  18. The address designation type image sensor according to claim 13, wherein each of the amplification transistors has a single output terminal.
[19] 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジスタの出力端 に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に記憶された信号の出力を制御す る出力トランジスタとを、さらに備えている請求項 18に記載のアドレス指定型イメージ センサ。  [19] A storage capacitive element connected to the output terminal of the amplification transistor in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, and an output transistor for controlling the output of a signal stored in the capacitive element The addressable image sensor according to claim 18, further comprising:
[20] 前記増幅トランジスタの各々が、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック 中の前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々 に第 2ゲート素子が接続されている請求項 18に記載のアドレス指定型イメージセンサ  [20] Each of the amplification transistors has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor, and a second gate element is connected to each of the output terminals. 19. The addressable image sensor according to claim 18,
[21] 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジスタの複数の 前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容量素子と、これら容量素子に記 憶された信号の出力を制御する複数の出力トランジスタとを、さらに備えている請求 項 20に記載のアドレス指定型イメージセンサ。 [21] In the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output ends of the amplification transistor, and signals stored in these capacitive elements 21. The addressable image sensor according to claim 20, further comprising a plurality of output transistors for controlling output.
[22] 前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成 *蓄積させる前に、前記リセットトラン ジスタのすべてを用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記 画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、 対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅ト ランジスタに送られる請求項 13〜21のいずれか 1項に記載のアドレス指定型ィメー ジセンサ。 [22] Generating signal charges in all of the pixels collectively * Before accumulating, all of the reset transistors are collectively performed using all of the reset transistors, and in each of the pixel blocks, A signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is read out in time series through the corresponding common node, and the force The addressing type image sensor according to any one of claims 13 to 21, which is sent to a transistor.
[23] マトリックス状に配置された複数の画素を有すると共に、アドレス指定によって前記 画素の各々を選択する、三次元積層構造を持つアドレス指定型イメージセンサであ つて、  [23] An addressing type image sensor having a three-dimensional stacked structure that has a plurality of pixels arranged in a matrix and selects each of the pixels by addressing.
複数の前記画素を所定数毎に共通ノードに並列接続して構成された複数の画素 ブロックと、  A plurality of pixel blocks configured by connecting a plurality of the pixels in a predetermined number in parallel to a common node;
複数の前記画素ブロックの各々の前記共通ノードに接続された、当該画素ブロック 内の複数の前記画素から送出される信号を増幅する増幅トランジスタとを備え、 前記画素ブロックの各々において、前記画素の各々は、照射された光に応じて信 号電荷を生成する光電変換素子と、その光電変換素子と当該画素ブロックの前記共 通ノードとの間の経路に設けられた第 1ゲート素子と、当該光電変換素子と前記第 1 ゲート素子との接続点に接続された、当該画素をリセットするためのリセットトランジス タとを含んでおり、  An amplification transistor that is connected to the common node of each of the plurality of pixel blocks and that amplifies signals transmitted from the plurality of pixels in the pixel block, and in each of the pixel blocks, each of the pixels Includes a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the irradiated light, a first gate element provided in a path between the photoelectric conversion element and the common node of the pixel block, and the photoelectric conversion element. A reset transistor connected to a connection point between the conversion element and the first gate element for resetting the pixel,
少なくとも前記光電変換素子は、前記三次元積層構造を構成する第 1半導体回路 層の中に形成され、前記第 1ゲート素子と前記リセットトランジスタと前記増幅トランジ スタは、前記三次元積層構造を構成する第 2あるいはそれ以降の半導体回路層の中 に形成されていることを特徴とするアドレス指定型イメージセンサ。  At least the photoelectric conversion element is formed in a first semiconductor circuit layer constituting the three-dimensional laminated structure, and the first gate element, the reset transistor, and the amplification transistor constitute the three-dimensional laminated structure. An addressing type image sensor characterized by being formed in a second or later semiconductor circuit layer.
[24] 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子が前記第 1半導体 回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジスタと複数の前記リセットトランジス タが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されて!、る請求項 23に 記載のアドレス指定型イメージセンサ。  [24] In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of the first gate elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of amplification transistors and the plurality of reset transistors are the second or The addressable image sensor according to claim 23, wherein the addressable image sensor is formed in a semiconductor circuit layer after the third!
[25] 複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子及び複数の前記リ セットトランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の前記増幅トランジ スタが前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されて!、る請求項 23に 記載のアドレス指定型イメージセンサ。  [25] In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of the first gate elements and a plurality of the reset transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the amplification transistors are provided in the second semiconductor circuit layer. 24. The addressable image sensor according to claim 23, wherein the addressable image sensor is formed in a semiconductor circuit layer after the third!
[26] 前記増幅トランジスタが、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック中の前 記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々に第 2 ゲート素子が接続されており、 [26] The amplifying transistor has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplifying transistor, and each of the output terminals has a second output terminal. The gate element is connected,
複数の前記光電変換素子に加えて、複数の前記第 1ゲート素子、複数の前記リセ ットトランジスタ及び複数の前記増幅トランジスタが前記第 1半導体回路層の中に形 成され、複数の前記第 2ゲート素子が前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の 中に形成されて 、る請求項 23に記載のアドレス指定型イメージセンサ。  In addition to the plurality of photoelectric conversion elements, a plurality of first gate elements, a plurality of reset transistors, and a plurality of amplification transistors are formed in the first semiconductor circuit layer, and a plurality of the second photoelectric conversion elements are formed. 24. The addressable image sensor according to claim 23, wherein a gate element is formed in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers.
[27] 複数の前記光電変換素子のみが前記第 1半導体回路層の中に形成され、複数の 前記第 1ゲート素子と複数の前記リセットトランジスタと複数の前記増幅トランジスタが 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に形成されている請求項 23に記載 のアドレス指定型イメージセンサ。  [27] Only a plurality of the photoelectric conversion elements are formed in the first semiconductor circuit layer, and the plurality of the first gate elements, the plurality of reset transistors, and the plurality of amplification transistors are the second or third and the subsequent. 24. The addressing type image sensor according to claim 23, wherein the addressing type image sensor is formed in a semiconductor circuit layer.
[28] 前記増幅トランジスタの各々が、単一の出力端を有している請求項 23に記載のアド レス指定型イメージセンサ。  28. The address designation type image sensor according to claim 23, wherein each of the amplification transistors has a single output terminal.
[29] 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジスタの出力端 に接続された記憶用容量素子と、当該容量素子に記憶された信号の出力を制御す る出力トランジスタとを、さらに備えて 、る請求項 28に記載のアドレス指定型イメージ センサ。  [29] A storage capacitive element connected to an output terminal of the amplification transistor in the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, and an output transistor for controlling the output of a signal stored in the capacitive element The addressable image sensor according to claim 28, further comprising:
[30] 前記増幅トランジスタの各々が、当該増幅トランジスタに対応する前記画素ブロック 中の前記画素の総数に等しい数の出力端を有していると共に、それら出力端の各々 に第 2ゲート素子が接続されている請求項 23に記載のアドレス指定型イメージセンサ  [30] Each of the amplification transistors has a number of output terminals equal to the total number of the pixels in the pixel block corresponding to the amplification transistor, and a second gate element is connected to each of the output terminals. 24. The addressable image sensor according to claim 23.
[31] 前記第 2あるいは第 3以降の半導体回路層の中に、前記増幅トランジスタの複数の 前記出力端にそれぞれ接続された複数の記憶用容量素子と、これら容量素子に記 憶された信号の出力を制御する複数の出力トランジスタとを、さらに備えている請求 項 30に記載のアドレス指定型イメージセンサ。 [31] In the second or third and subsequent semiconductor circuit layers, a plurality of storage capacitive elements respectively connected to the plurality of output ends of the amplification transistor, and signals stored in these capacitive elements 31. The addressing type image sensor according to claim 30, further comprising a plurality of output transistors for controlling output.
[32] 前記画素のすべてに一括して信号電荷を生成 *蓄積させる前に、前記リセットトラン ジスタのすべてを用いて前記画素のすべてについて一括してリセットが行われ、前記 画素ブロックの各々において、前記画素に蓄積された信号電荷に対応する信号が、 対応する前記共通ノードを介して時系列的に読み出されて力 対応する前記増幅ト ランジスタに送られる請求項 23〜31のいずれか 1項に記載のアドレス指定型ィメー ジセンサ, [32] Generating signal charges in all of the pixels collectively * Before accumulating, all of the pixels are reset in a batch using all of the reset transistors, and in each of the pixel blocks, 32. The signal according to any one of claims 23 to 31, wherein a signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel is read out in time series via the corresponding common node and sent to the corresponding amplification transistor. Addressing type image as described in Disensor,
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009136342A1 (en) * 2008-05-08 2009-11-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. A microelectronic device with wafer trenches
WO2010014138A1 (en) * 2008-08-01 2010-02-04 Eastman Kodak Company Image sensor having multiple sensing layers
WO2010071670A1 (en) * 2008-12-16 2010-06-24 Eastman Kodak Company Image sensor with three-dimensional interconnect and ccd
EP2230690A2 (en) * 2009-03-17 2010-09-22 Sony Corporation Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, method of driving the same, and electronic apparatus
WO2012001910A1 (en) * 2010-06-30 2012-01-05 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
CN102918829A (en) * 2010-05-28 2013-02-06 浜松光子学株式会社 Solid-state imaging device
WO2013024128A1 (en) * 2011-08-17 2013-02-21 Siemens Aktiengesellschaft Arrangement comprising photocells
EP2589081A1 (en) * 2010-06-30 2013-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device
WO2015041279A1 (en) * 2013-09-18 2015-03-26 オリンパス株式会社 Semiconductor device
WO2015087918A1 (en) * 2013-12-10 2015-06-18 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, solid-state imaging device manufacturing method
US9570499B2 (en) * 2012-10-18 2017-02-14 Sony Corporation Semiconductor device, solid-state imaging device and electronic apparatus
EP3410488A1 (en) * 2011-10-07 2018-12-05 Sony Corporation Solid-state image sensor and electronic device
EP3416193A1 (en) * 2017-06-15 2018-12-19 Renesas Electronics Corporation Solid state image sensor and manufacturing method thereof
EP3483939A1 (en) * 2010-09-03 2019-05-15 Sony Corporation Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus
WO2020085060A1 (en) * 2018-10-25 2020-04-30 Sony Corporation Solid-state imaging device and imaging device
US11968463B2 (en) 2018-10-25 2024-04-23 Sony Group Corporation Solid-state imaging device and imaging device including a dynamic vision sensor (DVS)

Families Citing this family (64)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4058459B1 (en) * 2007-03-02 2008-03-12 キヤノン株式会社 Imaging apparatus and imaging system
US7781716B2 (en) * 2008-03-17 2010-08-24 Eastman Kodak Company Stacked image sensor with shared diffusion regions in respective dropped pixel positions of a pixel array
US7858915B2 (en) * 2008-03-31 2010-12-28 Eastman Kodak Company Active pixel sensor having two wafers
US9543356B2 (en) * 2009-03-10 2017-01-10 Globalfoundries Inc. Pixel sensor cell including light shield
WO2011043045A1 (en) * 2009-10-07 2011-04-14 パナソニック株式会社 Imaging device, solid-state imaging element, image generation method, and program
JP2011119837A (en) * 2009-12-01 2011-06-16 Hirotsu Kazuko Solid-state imaging element
KR101411800B1 (en) 2009-12-26 2014-06-24 캐논 가부시끼가이샤 Solid-state imaging device and imaging system
JP5685898B2 (en) 2010-01-08 2015-03-18 ソニー株式会社 Semiconductor device, solid-state imaging device, and camera system
JP5904259B2 (en) * 2010-01-08 2016-04-13 ソニー株式会社 Semiconductor device, solid-state imaging device, and camera system
JP5433499B2 (en) * 2010-05-28 2014-03-05 浜松ホトニクス株式会社 Solid-state imaging device
JP5433500B2 (en) * 2010-05-28 2014-03-05 浜松ホトニクス株式会社 Solid-state imaging device
US9622650B2 (en) 2011-05-12 2017-04-18 DePuy Synthes Products, Inc. System and method for sub-column parallel digitizers for hybrid stacked image sensor using vertical interconnects
JP5959186B2 (en) * 2011-05-25 2016-08-02 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, and signal readout method
JP6045156B2 (en) * 2011-05-25 2016-12-14 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device
US9257468B2 (en) 2012-11-21 2016-02-09 Olympus Corporation Solid-state imaging device, imaging device, and signal reading medium that accumulates an amplified signal without digitization
JP5881324B2 (en) * 2011-07-01 2016-03-09 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, control method for solid-state imaging device, and imaging device
JP2013090127A (en) * 2011-10-18 2013-05-13 Olympus Corp Solid-state imaging apparatus and imaging apparatus
JP2013110539A (en) * 2011-11-18 2013-06-06 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Image pickup device
JP5926034B2 (en) * 2011-11-18 2016-05-25 日本放送協会 Image sensor
JP6128776B2 (en) * 2011-12-01 2017-05-17 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, and signal readout method
JP6053321B2 (en) * 2012-05-16 2016-12-27 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device
JP5959187B2 (en) * 2011-12-02 2016-08-02 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, and signal readout method
JP5945463B2 (en) * 2012-06-28 2016-07-05 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device
JP5893372B2 (en) * 2011-12-07 2016-03-23 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, and signal readout method
US9349761B2 (en) 2011-12-07 2016-05-24 Olympus Corporation Solid-state image pickup device and color signal reading method including a plurality of electrically-coupled substrates
JP6016378B2 (en) * 2012-02-29 2016-10-26 キヤノン株式会社 Photoelectric conversion device and imaging system using photoelectric conversion device
JP5965674B2 (en) 2012-03-05 2016-08-10 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
JP5973758B2 (en) * 2012-03-22 2016-08-23 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device
CN110299373A (en) 2012-03-30 2019-10-01 株式会社尼康 Filming apparatus
US10090349B2 (en) 2012-08-09 2018-10-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. CMOS image sensor chips with stacked scheme and methods for forming the same
US9153565B2 (en) 2012-06-01 2015-10-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image sensors with a high fill-factor
US8629524B2 (en) 2012-04-27 2014-01-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Apparatus for vertically integrated backside illuminated image sensors
JP5978777B2 (en) * 2012-06-04 2016-08-24 富士通株式会社 Imaging device
MX344146B (en) 2012-07-26 2016-12-07 Depuy Synthes Products Inc Camera system with minimal area monolithic cmos image sensor.
JP6071315B2 (en) * 2012-08-08 2017-02-01 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
US9478579B2 (en) 2012-10-16 2016-10-25 Omnivision Technologies, Inc. Stacked chip image sensor with light-sensitive circuit elements on the bottom chip
CN103730455B (en) * 2012-10-16 2017-04-12 豪威科技股份有限公司 Stacked chip image sensor with light-sensitive circuit elements on the bottom chip
JP6376245B2 (en) * 2012-10-18 2018-08-22 ソニー株式会社 Solid-state imaging device and electronic device
JP2014107448A (en) * 2012-11-28 2014-06-09 Nikon Corp Laminated semiconductor device manufacturing method and laminated semiconductor manufacturing apparatus
JP6099373B2 (en) * 2012-11-29 2017-03-22 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device and electronic camera
US9153616B2 (en) 2012-12-26 2015-10-06 Olympus Corporation Solid-state imaging device and imaging device with circuit elements distributed on multiple substrates, method of controlling solid-state imaging device, and imaging device with circuit elements distributed on multiple substrates
US8773562B1 (en) 2013-01-31 2014-07-08 Apple Inc. Vertically stacked image sensor
JP5984018B2 (en) 2013-02-21 2016-09-06 ソニー株式会社 Solid-state imaging device and imaging apparatus
US10750933B2 (en) 2013-03-15 2020-08-25 DePuy Synthes Products, Inc. Minimize image sensor I/O and conductor counts in endoscope applications
AU2014233190B2 (en) 2013-03-15 2018-11-01 DePuy Synthes Products, Inc. Image sensor synchronization without input clock and data transmission clock
KR102065633B1 (en) 2013-08-12 2020-01-13 삼성전자 주식회사 Image sensor, method thereof, and system including the same
JP6247918B2 (en) * 2013-12-09 2017-12-13 浜松ホトニクス株式会社 Radiation image sensor
JP5784167B2 (en) * 2014-03-14 2015-09-24 キヤノン株式会社 Method for manufacturing solid-state imaging device
JP6319426B2 (en) * 2014-03-31 2018-05-09 株式会社ニコン DETECTING DEVICE, ELECTRONIC DEVICE, AND MANUFACTURING METHOD
JP6457738B2 (en) * 2014-05-02 2019-01-23 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
WO2016035184A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 オリンパス株式会社 Solid-state image pickup device
JP6048482B2 (en) * 2014-11-28 2016-12-21 株式会社ニコン Image sensor
EP3358622A4 (en) * 2015-09-30 2019-12-04 Nikon Corporation Image-capturing element and image-capturing device
JP6361633B2 (en) * 2015-11-02 2018-07-25 株式会社ニコン Image sensor
KR102521342B1 (en) * 2016-05-31 2023-04-14 에스케이하이닉스 주식회사 3 Layered Stacked Image Sensor
JP2017216480A (en) * 2017-09-01 2017-12-07 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP6610642B2 (en) * 2017-11-10 2019-11-27 株式会社ニコン Imaging apparatus and camera
WO2019130702A1 (en) 2017-12-27 2019-07-04 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Image pickup device
JPWO2020100577A1 (en) * 2018-11-13 2021-09-30 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Solid-state image sensor and electronic equipment
CN113169197A (en) * 2018-12-26 2021-07-23 索尼半导体解决方案公司 Photoelectric conversion element, solid-state imaging device, and electronic apparatus
TW202109862A (en) * 2019-06-26 2021-03-01 日商索尼半導體解決方案公司 Image pickup device
TW202107722A (en) * 2019-06-26 2021-02-16 日商索尼半導體解決方案公司 Imaging device
WO2021161134A1 (en) * 2020-02-14 2021-08-19 株式会社半導体エネルギー研究所 Imaging device
WO2023223743A1 (en) * 2022-05-17 2023-11-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Photodetector element

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000059697A (en) * 1998-08-05 2000-02-25 Canon Inc Image pickup device and image pickup system using it
JP2001326856A (en) * 2000-05-16 2001-11-22 Canon Inc Solid-state image pickup device and solid-state image pickup system using the same

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63193678A (en) * 1987-02-05 1988-08-10 Fujitsu Ltd Solid-state area image pickup device
JPH07192663A (en) * 1993-12-27 1995-07-28 Hitachi Ltd Image pickup device
GB2289983B (en) * 1994-06-01 1996-10-16 Simage Oy Imaging devices,systems and methods
GB2319394B (en) * 1996-12-27 1998-10-28 Simage Oy Bump-bonded semiconductor imaging device
NL1011381C2 (en) * 1998-02-28 2000-02-15 Hyundai Electronics Ind Photodiode for a CMOS image sensor and method for its manufacture.
IT1313260B1 (en) * 1999-07-28 2002-07-17 St Microelectronics Srl INTEGRATED PHOTOSENSOR DEVICE ON SEMICONDUCTOR AND RELATIVE MANUFACTURING PROCESS.
JP3713418B2 (en) * 2000-05-30 2005-11-09 光正 小柳 Manufacturing method of three-dimensional image processing apparatus
US6809769B1 (en) * 2000-06-22 2004-10-26 Pixim, Inc. Designs of digital pixel sensors
JP3984814B2 (en) * 2001-10-29 2007-10-03 キヤノン株式会社 Imaging device, radiation imaging apparatus using the imaging device, and radiation imaging system using the imaging device
JP4117540B2 (en) * 2002-10-17 2008-07-16 ソニー株式会社 Control method of solid-state image sensor
US6894265B2 (en) * 2003-01-31 2005-05-17 Foveon, Inc. Vertical color filter sensor group and semiconductor integrated circuit fabrication method for fabricating same
JP4120453B2 (en) * 2003-04-18 2008-07-16 ソニー株式会社 Solid-state imaging device and drive control method thereof
JP4323883B2 (en) * 2003-06-30 2009-09-02 キヤノン株式会社 Image processing apparatus and control method thereof
JP4349232B2 (en) * 2004-07-30 2009-10-21 ソニー株式会社 Semiconductor module and MOS solid-state imaging device
TWI429066B (en) * 2005-06-02 2014-03-01 Sony Corp Semiconductor image sensor module and manufacturing method thereof
EP1791345B1 (en) * 2005-11-24 2012-01-11 Stmicroelectronics Sa Image sensor pixel with multiple outputs

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000059697A (en) * 1998-08-05 2000-02-25 Canon Inc Image pickup device and image pickup system using it
JP2001326856A (en) * 2000-05-16 2001-11-22 Canon Inc Solid-state image pickup device and solid-state image pickup system using the same

Cited By (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009136342A1 (en) * 2008-05-08 2009-11-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. A microelectronic device with wafer trenches
WO2010014138A1 (en) * 2008-08-01 2010-02-04 Eastman Kodak Company Image sensor having multiple sensing layers
US8471939B2 (en) 2008-08-01 2013-06-25 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor having multiple sensing layers
WO2010071670A1 (en) * 2008-12-16 2010-06-24 Eastman Kodak Company Image sensor with three-dimensional interconnect and ccd
EP2230690A3 (en) * 2009-03-17 2013-11-06 Sony Corporation Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, method of driving the same, and electronic apparatus
EP2230690A2 (en) * 2009-03-17 2010-09-22 Sony Corporation Solid-state imaging device, method of manufacturing the same, method of driving the same, and electronic apparatus
US8792034B2 (en) 2009-03-17 2014-07-29 Sony Corporation Solid-state imaging device with charge transfer transistor on different substrates
CN102918829A (en) * 2010-05-28 2013-02-06 浜松光子学株式会社 Solid-state imaging device
CN102918829B (en) * 2010-05-28 2015-04-22 浜松光子学株式会社 Solid-state imaging device
US9196643B2 (en) 2010-06-30 2015-11-24 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device having photoelectric conversion units on a first substrate and a plurality of circuits on a second substrate
US9450012B2 (en) 2010-06-30 2016-09-20 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
EP2589081A1 (en) * 2010-06-30 2013-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device
US8928041B2 (en) 2010-06-30 2015-01-06 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
US11108982B2 (en) 2010-06-30 2021-08-31 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
US9787931B2 (en) 2010-06-30 2017-10-10 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
WO2012001910A1 (en) * 2010-06-30 2012-01-05 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
EP2589081A4 (en) * 2010-06-30 2013-11-20 Canon Kk Solid-state imaging device
US10462405B2 (en) 2010-06-30 2019-10-29 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and manufacturing method therefor
EP3483939A1 (en) * 2010-09-03 2019-05-15 Sony Corporation Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus
US10741604B2 (en) 2010-09-03 2020-08-11 Sony Corporation Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus
US10396118B2 (en) 2010-09-03 2019-08-27 Sony Corporation Semiconductor integrated circuit, electronic device, solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus
WO2013024128A1 (en) * 2011-08-17 2013-02-21 Siemens Aktiengesellschaft Arrangement comprising photocells
US10483313B2 (en) 2011-10-07 2019-11-19 Sony Corporation Solid-state image sensor and electronic device
EP3410488A1 (en) * 2011-10-07 2018-12-05 Sony Corporation Solid-state image sensor and electronic device
US9570499B2 (en) * 2012-10-18 2017-02-14 Sony Corporation Semiconductor device, solid-state imaging device and electronic apparatus
CN107425021A (en) * 2012-10-18 2017-12-01 索尼公司 Semiconductor device, solid camera head and electronic equipment
CN107425021B (en) * 2012-10-18 2019-01-29 索尼公司 Semiconductor device, solid-state imaging apparatus and electronic equipment
US11875989B2 (en) 2012-10-18 2024-01-16 Sony Group Corporation Semiconductor device, solid-state imaging device and electronic apparatus
WO2015041279A1 (en) * 2013-09-18 2015-03-26 オリンパス株式会社 Semiconductor device
JP2015060909A (en) * 2013-09-18 2015-03-30 オリンパス株式会社 Semiconductor device
JP2015115420A (en) * 2013-12-10 2015-06-22 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, and method of manufacturing solid-state imaging device
WO2015087918A1 (en) * 2013-12-10 2015-06-18 オリンパス株式会社 Solid-state imaging device, imaging device, solid-state imaging device manufacturing method
EP3416193A1 (en) * 2017-06-15 2018-12-19 Renesas Electronics Corporation Solid state image sensor and manufacturing method thereof
US10566373B2 (en) 2017-06-15 2020-02-18 Renesas Electronics Corporation Solid state image sensor and manufacturing method thereof
WO2020085060A1 (en) * 2018-10-25 2020-04-30 Sony Corporation Solid-state imaging device and imaging device
CN112930599A (en) * 2018-10-25 2021-06-08 索尼公司 Solid-state image pickup device and image pickup device
US20210400223A1 (en) * 2018-10-25 2021-12-23 Sony Group Corporation Solid-state imaging device and imaging device
JP7329318B2 (en) 2018-10-25 2023-08-18 ソニーグループ株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
JP2020068483A (en) * 2018-10-25 2020-04-30 ソニー株式会社 Solid-state imaging apparatus and imaging apparatus
US11968463B2 (en) 2018-10-25 2024-04-23 Sony Group Corporation Solid-state imaging device and imaging device including a dynamic vision sensor (DVS)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007228460A (en) 2007-09-06
TWI416948B (en) 2013-11-21
TW200803484A (en) 2008-01-01

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